“Синтетические подходы к 3а,6а-диаза-1,4-дифосфапенталенам и родственным соединениям. Взаимодействие кетазинов и 2,2-азобиспиридина с галогенидами фосфора”

Во введении обоснованы актуальность темы, выбор объектов исследования, сформулированы цели работы. В главе 1 (литературный обзор) собраны основные сведения о синтезах и свойствах аза-, диаза- и триазафосфолов, а также 3а,6а-диаза- 1,4-дифосфапенталенов. Глава 2 содержит описание и обсуждение полученных результатов. В экспериментальной части представлены методики синтеза новых соединений, данные их анализа, а также основные методы исследования.
1. Получение дихлоридов DDP из кетазинов
Основной подход к 3а,6а-диаза-1,4-дифосфапенталенам на сегодняшний день включает синтетическую цепочку: кетон → кетазин → дихлорид DDP → DDP.
7
Выбор кетонов и азинов ограничен соединениями, содержащими CH2 группу при двойной связи C=O и C=N соответственно. В качестве исходных азинов нами использовались азины 3-пентанона, пропиофенона, инданона-2, 1,3-дифенил-2- пропанона, ацетона, бутанона-2, и замещенные в кольцо азины ацетофенона.
До проведения настоящей работы одной из стадий синтеза было весьма трудоемкое и небезопасное металлирование азина циклогексанона метиллитием. В результате поиска наиболее оптимальных условий синтеза дихлоридов DDP нами был предложен синтез в ацетонитриле и синтез без растворителя (схема 3).
При проведении реакции в ацетонитриле в качестве акцептора HCl в одних случаях использовался сам азин, в других случаях добавлялся триэтиламин. Конкретные условия подбирались с тем расчетом, чтобы уменьшить образование в ряде случаев побочных продуктов реакции – диазафосфолов (9, 10).
Азин инданона-2 при обработке PCl3 давал исключительно диазафосфол 11. Образование диазафосфолов, очевидно, является следствием существования равновесия между депротонированными
формами азинов и переноса реакционного центра с углерода на азот (схема 4). Безрастворный способ синтеза дихлоридов и дибромидов DDP заключался в нагревании смеси кетазина и галогенида фосфора (PCl3 или PBr3) при 80°С до окончания выделения газообразного HCl (HBr). Этот метод давал удовлетворительные выходы галогенидов DDP, однако сопровождался частичным разрушением гетеропенталенового каркаса. Так, в реакции азина бутанона-2 с PCl3 в качестве побочного продукта зафиксирован диазафосфол 12. В реакции азина циклогексанона с PBr3 основным продуктом является дибромид DDP (13). Частичное разрушение гетеропенталенового каркаса приводит к образованию бромида аммония, который, в свою очередь, реагируя с 13 дает трифосфиноамин (14), в котором центральный атом азота связан с тремя атомами фосфора DDP-
фрагментов (схема 5).
Природа заместителей в кетазине играет существенную роль в синтезе дихлоридов DDP. Азин ацетофенона реагирует с PCl3 с образованием целевого продукта 3. Однако замещение атома водорода в ароматическом кольце ацетофенона на атомы галогенов дает азины, которые не вступают в реакцию с PCl3. Наличие донорных заместителей в кольце (Me-, MeO-) придает азину повышенную реакционную способность, приводящую к смеси продуктов.
Таким образом, реакции кетазинов с галогенидами фосфора в подавляющем большинстве случаев приводили к желаемому результату – образованию дигалогенидов диазадифосфапенталенов, однако было выявлено и существенное влияние природы азина на ход реакции и образование побочных диазафосфолов. Наиболее удобным растворителем для синтеза дихлоридов DDP оказался ацетонитрил.
1.1. Структурные особенности 1,4-дихлор-3а,6а-диаза-1,4- дифосфапенталенов и диазафосфолов
1.1.1. 1,4-Дихлор-3а,6а-диаза-1,4-дифосфапенталены
Рентгеноструктурные исследования показали, что дихлор- диазадифосфапенталены 3-8 кристаллизуются исключительно в виде транс- изомеров, в которых атомы галогена располагаются по разные стороны относительно усредненной плоскости гетеропенталенового каркаса (рис. 1). Интересно отметить, что молекулы дихлоридов, содержащих алкильные заместители в DDP-каркасе, имеют центр симметрии, расположенный в середине связи N-N. В молекулах, содержащих ароматические группы (Ph-, PhCH2-) центр симметрии отсутствует, что, очевидно, вызвано, различным расположением Ph- групп в кристалле. В качестве примера на рисунке 1 приведены структуры молекул 3 и 8.
Рис. 1.
Гетеропенталеновый каркас у всех дихлоридов не плоский, однако, отклонение от усредненной плоскости не превышает 0.12 Å, и суммы углов при атомах азота разнятся от 353.88° до 359.15°. Длины связей, составляющих каркас молекул лежат в диапазонах: N-N 1.4068(17)-1.4186(14) Å, N-C 1.3868(13)-1.399(4) Å, C=C 1.352(2)- 1.3572(17) Å, C-P 1.7826(13)-1.809(4) Å, P-N 1.6936(10)-1.7102(11) Å.
Для наименее стерически затрудненных соединений 3 и 5 в кристаллическом состоянии обнаружены межмолекулярные взаимодействия Cl(1)∙∙P(2) (3.54 A) и Cl(2)∙∙∙P(1) (3.76 A) соответственно. В соединении 5 имеются также симметричные контакты C∙∙∙P (3.46 A).
10

Рис. 2.
1.1.2. Структурные данные побочных продуктов (9, 10, 14)
Выделенные при синтезе некоторых дихлоридов DDP диазафосфолы (9, 10, рис. 3) обладают, как правило, большей растворимостью, чем целевые дихлориды, легко отделяются и перекристаллизовываются. Длины связей в пятичленных циклах (N-N 1.3507(11)-1.363(5) Å, N-C 1.430(5)-1.4355(13) Å, C-C 1.4149(13)-1.420(6) Å, C-P 1.709(4)-1.713(4) Å, P-N 1.690(3)-1.705(9) Å) вместе с плоским строением, подтверждают их ароматическую природу.
9 10
Рис.3.
Молекула трифосфиноамина 14 (рис. 4), имеет плоский центральный атом азота, что означает отсутствие у него основности за счет взаимодействия свободной электронной пары с тремя атомами фосфора. Взаимодействие это, однако, не вполне симметричное, о чем свидетельствуют немного различающиеся длины связей P-N.
11

14
Рис. 4.
1.2. Поведение 1,4-дихлор-3a,6a-диаза-1,4-дифосфапенталенов в растворе (спектры ЯМР 31P)
Спектры ЯМР 31P{1H} дихлоридов 3-8 представлены двумя синглетами в области 105-120 м.д. соответствующими 1,4-цис- и транс-изомерам. В качестве примера на рисунке 5 представлены ЯМР 31Р{1H} спектры дихлоридов DDP на основе азинов ацетофенона (3, верхний) и пропиофенона (7, нижний).
Рис.5.
Соединение 5 показывает очень широкие сигналы при 108.2, 110.1 м.д., свидетельствующие о динамических процессах в растворе.
Характер спектров ЯМР 31P{1H} дихлоридов зависит от природы растворителя, что мы связываем с различной мобильностью атомов галогена в различных средах. В спектре ЯМР 31P{1H} дихлорида (15) в ТГФ наблюдаются два синглета, однако в хлористом метилене имеется один синглет, который начинает уширяться только при
12

температуре ниже -50°С. Как мы полагаем, тетрагидрофуран лучше стабилизирует изомерные формы дихлоридов диазадифосфапенталенов за счет торможения инверсии конфигурации атомов фосфора (схема 6).
Дихлорид DDP на основе азина тетралона-1 16 (полученный и охарактеризованный ранее) демонстрирует еще более сложное поведение в растворе (схема 7). Спектр ЯМР 31P{1H} в ТГФ содержит два синглета (114.7, 120.9 м.д.) от 1,4-формы (16а), и синглет при 218.9 м.д., соответствующий двухкоординированному атому фосфора 1,1-формы (16b). PCl2-группа не дает сигнала, что имеет аналогию с изученными нами ранее соединениями гипервалентного фосфора на основе пиразола (DOI: 10.1002/ejic.201500102).
Интересно, что в хлористом метилене спектра ЯМР 31P{1H} не наблюдается вовсе, а в толуоле проявляются синглеты только от 1,4-формы (16а).
О спектрах ЯМР 31P дихлоридов диазадифосфапенталенов можно также сказать, что они не тривиальны. Так, для соединения 3 вместо ожидаемых двух дублетов с константой 2J(P,H) наблюдаются мультиплеты, характерные для спиновых систем AAʹXXʹ; дихлорид 7, содержащий близлежащие к фосфору метильные группы, вместо ожидаемых двух квартетов демонстрирует более сложные мультиплеты (рис.6). В то же время спектры ЯМР 31P{1H} и 31P циклогексан-
аннелированного дихлорида (15) имеют вид синглетов без видимых отличий, что очевидно связано с быстрыми динамическими процессами в растворе.
Рис.6.
Для синтеза диазадифосфапенталенов использовалось восстановление соответствующих дихлоридов металлическим марганцем (схема 8). Восстановление магнием сопровождалось образованием побочных неидентифицированных продуктов.
1.3. 3а,6а-Диаза-1,4-дифосфапенталены
Полученные диазадифосфапенталены представляют собой оранжево-красные кристаллы, чувствительные к кислороду воздуха. В реакции дихлорида 3 с магнием или марганцем образуется смесь продуктов. Использование металлического натрия в качестве восстановителя, приводит к изомеризации каркаса DDP (DOI: 10.1039/D1NJ03341G).
Согласно данным РСА молекулы 17, 18, 20 являются центросимметричными, с плоским гетеропенталеновым каркасом (рис. 7).
Рис.7.
Рис.7.
Молекула 19 не имеет центра симметрии, что может быть связано с различной позицией фенильных групп в кристалле. Длины связей, составляющих каркас молекул лежат в достаточно узких диапазонах: N-N 1.3728(12)-1.377(2) Å, N-C 1.3767(16)-1.3837(14) Å, C=C 1.375(2)-1.3811(15) Å, C-P 1.7445(12)-1.7570(13) Å, P- N 1.7251(12)-1.7306(7) Å.
В спектрах ЯМР 31P{1H} соединений 17-20 наблюдаются синглеты при 184, 174, 192, 180 м.д. соответственно. Область полученных DDP соответствует двухкоординированному атому фосфора в пятичленном цикле. На рисунке 8 изображены ЯМР спектры полученных DDP 17-20.
Рис.8.
15

2. 2,2′-Азобиспиридин в координационной химии фосфора
Выбор 2,2′-азобиспиридина (abpy) и изучение его реакций с PCl3 обусловлены данными квантово-химических расчетов, которые показали возможность существования гетеропенталенов, содержащих фосфор(III) в гипервалентном и гиповалентном состояниях:
Кроме того, известны комплексы металлов и боранов c abpy, имеющих гетеропенталеновую структуру.
2.1. Взаимодействие 2,2′-азобиспиридина с PCl3
Взаимодействие 2,2′-азобиспиридина с избытком PCl3 в толуоле или дихлорметане приводит к продукту состава abpy/PCl3 = 1:1, имеющему в спектре ЯМР 31P синглет при -92.9 м.д., который находится в области, типичной для циклических соединений, содержащих пятивалентный атом фосфора в Cl3N2 окружении. Метанолиз аддукта abpy-PCl3 21 дает 2,2′-гидразобиспиридин (hbpy) и триметилфосфат (MeO)3PO, что свидетельствует об окислении PCl3 при
комплексообразовании с 2,2′ – азобиспиридином (схема 9).
Оптимизация геометрии предполагаемого аддукта abpy-PCl3 методом
DFT/B3LYP в базисе 6-31G(d) дает структуру 21 показанную на рисунке 9. Длина связи азот-азот в соединении 21 (1.397 Å) свидетельствует об ее одинарном характере, тогда как длина соседней C=N связи в 5-ти членном кольце (1.306 Å) соответствует длине двойной связи. Атом фосфора в соединении 21 имеет тригонально-бипирамидальное окружение, в котором один атом хлора и атом азота «бывшего» пиридинового кольца занимают аксиальное положения. Таким образом,
16

рассчитанная структура может быть представлена как соединение пятивалентного фосфора с восстановленным abpy каркасом.
Рис.9.
Аддукт 21 обладает крайне низкой растворимостью, и, вероятно, является координационным полимером с множеством межмолекулярных контактов P-Cl, Cl- Cl, N-P.
2.2. Реакции трихлорида фосфора с 2,2′-гидразобиспиридином (hbpy) и его производными
2,2′-Гидразобиспиридин реагирует с трихлоридом фосфора с образованием единственного продукта (24), одновременно являясь акцептором HCl (схема 10, рис. 10):
Рис.10.
Невысокий препаративный выход 24 (25%) обусловлен трудностью очистки от гидрохлорида 2,2′-азобиспиридина.
2.3. Реакции дилитиевой соли 2,2′-гидразобиспиридина с PCl3 и (Et2N)2PCl
С целью получения производного abpy (26), мы провели реакцию дилитиевой соли abpy (25) с PCl3, в котором атом фосфора
находится в гипервалентном состоянии. Однако ввиду
полной нерастворимости полученных продуктов
выделить индивидуальные соединения не удалось. Тем временем, взаимодействие дилитиевой соли hbpy 25 с (Et2N)2PCl неожиданно привело к соединению 27,
Рис.11.
содержащему только один атом фосфора (схема 11, рис.11).
Спектр ЯМР 31Р соединения 27 показывает синглет при 82.9 м.д. В этой реакции наблюдается второй фосфорсодержащий продукт – трис(диметиламино)фосфин ((Et2N)3P), о чем свидетельствует синглет при 118.3 м.д. в 31Р ЯМР спектре. Изучение механизма реакции показало, что элиминирование (Et2N)3P наблюдается только после реагирования второго эквивалента (Et2N)2PCl, тогда как присоединение первого эквивалента (Et2N)2PCl приводит к образованию интермедиата 25′ (схема 12).
Было установлено, что диэтиламидная группа в соединении 27 может быть легко и с количественным выходом заменена на галоген (Cl, Br) при действии PCl3 или PBr3, соответственно (схема 13).
Рассматривая кристаллические структуры полученных триазафосфолов, можно заметить, что во всех случаях атом азота пиридильного фрагмента повернут к атому
18

фосфора, и расстояния P∙∙∙N для 24, 27 и 28 (2.827, 2.912, 2.824 Å соответственно) значительно короче, чем сумма Ван дер Ваальсовых радиусов данных элементов (3.35 Å). Этот факт можно объяснить наличием кулоновского притяжения или отталкивания между гетероатомами:
2.4. Взаимодействие 24 и 27 с кислотами Льюиса (SiCl4 и PCl5)
Поскольку молекулы 24 и 27 содержат основные льюисовские центры, мы попытались выяснить их координационную активность. В то время как хлор- замещенный триазафосфол 24 не реагирует с тетрахлоридом кремния, диэтиламино- производное 27 легко образует аддукт 29 путём координации двух атомов азота к атому кремния (схема 14, рис.12).
Рис.12.
В 31Р ЯМР спектре соединения 29 наблюдается синглет при 75 м.д., сигнал сдвинут в более сильное поле на 7 м.д. по сравнению с соединением 27. Рентгеноструктурный анализ соединения 29 показывает, что молекула SiCl4 входит в состав молекулы 27 с образованием хелатного пятичленного гетероцикла (рис.12). Гиперкоординированный атом кремния находится слегка в искаженном октаэдрическом окружении, где два атома хлора находятся в аксиальном положении, а два других атома хлора лежат в экваториальной плоскости вместе с атомами азота N(2) и N(3).
19

Так как пятичленный цикл в соединении 24 имеет подвижный атом галогена, мы попытались зафиксировать образующийся при отрыве хлорид-иона 6πе- ароматический триазафосфоленовый катион посредством добавления PCl5 (схема 15).
Однако эксперимент показал, что редокс процесс привел к образованию комплекса 30 с пятивалентным атомом фосфора и высвобождению PCl3 (схема 16, рис. 13); атом фосфора в соединении 30 имеет тетраэдрическую конфигурацию.
Рис.13.
Интересно, что атомы азота свободных пиридильных фрагментов в структуре 30 также повернуты в сторону фосфора; внутримолекулярный контакт N(4)∙∙∙P(1) 2.764 Å в 30 оказался короче, чем соответствующие расстояния N···P в соединениях 24, 27 и 28, что определяется, очевидно, более высоким зарядом на атоме фосфора.
3. Использование 2,2′-дибромгидразотолуола в качестве прекурсора
Нашей первоначальной целью диазадифосфапенталена по схеме 17:
был синтез бензаннелированного
20

Исходный 2,2′-дибромгидразотолуол (32) был получен в две стадии, окислительным дегидрированием 2-бром-4-метил-анилина оксидом марганца(IV) с последующим восстановлением образовавшегося 2,2′-дибромазотолуола (31) гидразин-гидратом (схема 18).
Согласно данным РСА молекула 31 является центросимметричной и практически плоской. Ароматические кольца находятся в транс-положении относительно двойной связи азот-азот. Молекула 32 имеет неплоское строение, согласно рентгеноструктурным исследованиям (рис.14).
31
Рис.14
Соединение 32 при обработке 4 экв MeLi при -70 °С дает 4х-литиевое производное 33, что подтверждается гидролизом с образованием гидразотолуола. Соединение 33 оказалось чрезвычайно реакционноспособным, что приводило к образованию смеси продуктов даже при низких температурах. При действии 2-х эквивалентов MeLi на 32 металлируются только атомы азота (схема 19).
Последующее взаимодействие дилитиевой соли 36 с бис(диэтиламино)хлорфосфином привело к образованию продукта 37 (схема 20, рис. 15).
Рис.15.
Ключевой стадией образования 37 является новая
перегруппировка: миграционное внедрение (Et2N)2P-группы по связи азот-азот (схема 21).
ВЫВОДЫ
1. Рассмотрены синтетические подходы к 3а,6а-диаза-1,4-дифосфапенталенам (DDP) и родственным соединениям, использующие в качестве прекурсоров
а) кетазины, б) 2,2′-азобиспиридин и в) 2,2′-дибромазотолуол.
2. Разработаны новые способы синтеза 1,4-дихлоридов диазадифосфапенталенов и моноциклических диазафосфолов из кетазинов. Показано, что акцепторные заместители в азинах препятствуют их реакции с PCl3.
3. Выявлено сложное динамическое поведение дихлоридов DDP в растворах, зависящее как от заместителей в DDP, так и растворителя, связанное с инверсией пирамидальной конфигурации атомов фосфора и миграцией галогена от одного атома фосфора к другому.
4. Получен ряд новых 3а,6а-диаза-1,4-дифосфапенталенов с алкильными и арильными заместителями восстановлением 1,4-дихлоридов DDP металлическим марганцем в тетрагидрофуране.
5. 2,2′-Азобиспиридин впервые использован в координационной химии фосфора: на его основе разработан новый метод синтеза триазафосфолов; получен первый гетеропентален, содержащий атомы фосфора, кремния и азота в гетероцикле.
6. Обнаружена новая перегруппировка (NNPIII→NPVN), приводящая к производному диазадифосфинина при фосфорилировании 2,2′- дибромгидразотолуола.