книги из ГПНТБ / Хардин, А. П. Химия четырехфтористой серы

соответственно смеси ацетата Зр-окси-5а,6,6-трифторандро- стан-17-она (XVIII) с ацетатом Зр-оікси-5а,6,6,17,17-пента- фторандростана (XIX) и ацетата Зр-окси-5а,6,6-трифторпрег- нан-20-она (XX) с ацетатом Зр-оксн-5а,6,6,20,20-пентафтор- прегнана (XXI).

Сравнение условий фторирования карбонильных групп стероидов, находящихся у различных атомов углерода сте­ роидного скелета, а также выходов фторированных продук­ тов позволяет расположить эти группы в порядке убывания Vреакционной способности в следующий ряд [20, 22, 24]: 3-ке­

то > 6 -кето> 17-кето > 20-кето-11-кетостероида > 20-кето-11- дезоксистероида> сопряженная 3-кето- > 11-кето-.

Альдегидные группы стероидов проявляют еще более вы­ сокую активность при взаимодействии с четырехфтористой се­ рой. Так, 6 -формильная группа фторируется при пониженной температуре и меньшей концентрации фтористого водорода. Ацетат 17,20,20,21-бис (метилендиокси) -6-формил-Зр-окси-5а- прегнан- 11 -она превращается в 6 -дифторметилыюе производ­ ное (XXII) [21].

Исследование фторирования кетостероидов четырехфтори­ стой серой, содержащей различные концентрации фтористого водорода, показало, что для успешного проведения реакции необходимо присутствие значительного количествалкатализатора. Замещение кислорода на фтор в отсутствие катализато­ ра не происходит даже при обработке стероидов, содержащих 6 -формил-или 3-кетогруппы [19, 20].

Реакция SF4 и холестан-3-она при 40° в хлороформе, содер­ жащем 0,75% этанола, дает 32% выход 3,3-дифторхолестана [19]. При фторировании холестан-3-она избытком четырех­ фтористой серы, содержащей 2 2 мол% фтористого водорода, при 10° приводит к получению фторированного продукта с вы­ ходом 78% [20]. Такие количества фтористого водорода зна­ чительно превышают применяемые обычно количества ката­ лизаторов.

Несмотря на то, что фтористый водород является весьма слабой кислотой Льюиса, он дает наилучшие результаты при фторировании кетостероидов. Применение в качестве катали­ затора более сильной кислоты Льюиса, например, трехфтори-

. стого бора, не приводит к значительному увеличению выхода фторпроизводных, в то же время заметно увеличивая смоло­ образование [19, 20].

Фторирование стероидов проводится следующим образом: 0,0024—0,0035 моля стероида, 20 мл хлороформа или метилен-

80

хлорида и 0,042 моля воды охлаждается в автоклаве до — 78° и добавляется 0,43 моля четырехфтористой серы. Смесь пере­ мешивается около 16 часов при комнатной температуре. Ле­ тучие продукты выпускаются, содержимое автоклава разбав­ ляется применяемым растворителем, промывается избытком водного раствора углекислого калия, высушивается над суль­ фатом натрия, фильтруется через делит и выпаривается досу­ ха. Очистка продуктов проводится перекристаллизацией из ацетона или, иногда, хроматографией на окиси алюминия.

Выходы и свойства продуктов приведены в табл. 5.4.

Таблица 5.4

П р и м е ч а н и е : а — катализатор — трехфтористый бор.

д) Механизм замещения карбонильного кислорода фтором

Механизм реакции четырехфтористой серы с карбониль­ ными соединениями специально не исследовался. Предложен­ ные варианты схем взаимодействия основываются на данных о влиянии различных факторов на процесс замещения.

На основании данных о катализе реакции такими неорга­ ническими фторидами, как HF, BF3, AsF3, TiF4) PF5, которые являются кислотами Льюиса, сделано предположение, что на­ чальной стадией взаимодействия является поляризация кар7 бонилыюй группы и образование комплекса карбонильного соединения с кислотой Льюиса.

Образовавшийся комплекс в дальнейшем подвергается атаке молекулой четырехфтористой серы, по схеме:

/С — 0— SF3+ X.Fn F А

Последующая перегруппировка фторалкокситрифторида серы, которая является неустойчивым соединением, приводит к образованию дифторметиленовой группы. Этот процесс мо­ жет идти как с участием кислоты Льюиса, так и без нее.

- С F

/

F

n~f

F

82

При проведении реакции без катализатора роль XFn мо­ жет выполнять четырехфтористая сера, которая тоже явля­ ется кислотой Льюиса, хотя и весьма слабой.

В одном из вариантов предполагается, что вначале проис­ ходит образование комплекса неопределенного строения по схеме:

Этот комплекс затем атакует карбонильную группу, в ре­ зультате чего образуется соединение, перегруппировка кото­ рого по приведенной выше схеме приводит к образованию дифторметиленовой группы.

f А

>CF2 + S0F2

Допускается также вариант, по которому первая стадия взаимодействия четырехфтористой серы с карбонильной груп­ пой проходит по ионному механизму, где образование ионов является результатом реакции четырехфтористой серы с фто­ ристым водородом.

SF4+H F^SF3++H F2-

Взаимодействие катиона SF3+ с карбонильным кислородом и последующая атака получающегося карбокатиона ионом фтора, отдаваемым частицей HF2- , приводит к тому же про­ межуточному соединению А.

Кроме схем, описанных выше, предложен механизм, по ко­

торому реакция идет через присоединение фтористого водоро­ да к карбонильной группе

N)C = 0 -j-H F ^F —-С—ОН

Затем происходит замещение гидроксильной группы.

Из рассмотренных схем, объясняющих процесс катализа стероидов фтористым водородом, наиболее вероятным пред­ ставляется ионный механизм. В последнее время установлено

[25], что комплексы четырехфтористой серы с неорганическ ми фторидами в растворах полностью диссоциируют на ионы. Растворы четырехфторнстой серы во фтористом водороде так­ же обнаруживают заметную электропроводность, что указы­ вает на наличие диссоциации.

Следует заметить, что образование ионов SF3+ и FIF2- , из которых исходит приведенная выше схема ионного механизма, не согласуется с имеющимися данными по реакциям комплек­ сов четырехфтористой серы с неорганическими фторидами

[26]. Фтористый водород, являющийся очень слабой кисл той, может замещать четырехфтористую серу в некоторых комплексах SF4-XFn. Легко проходит замещение в комплек­ сах сурьмы, например:

2 H F+SF 4 • SbFs—^ F 4+FHa+SbF6-

Это говорит о том} что склонность фтористого водорода к присоединению иона фтора выражена еще слабее, чем у че­ тырехфтористой серы, и взаимодействие этих двух соединений вероятнее будет проходить не по схеме

S F 4+ H F ^ S F 3+ + H F 2-

-84

а с участием неподеленной пары электронов серы:

S F 4+ H F ^ H S +F 4+ F -

2. РЕАКЦИИ С ГИДРОКСИЛСОДЕРЖАЩИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Взаимодействие четырехфтористой серы с гидроксилсодер­ жащими соединениями приводит к образованию алкилфторидов в результате замещения гидроксильной группы на фтор;

R—O H +SF4—»-R—F+SO F 2+H F.

Замещение проходит достаточно легко, если гидроксильная группа обладает высокой кислотностью. Алифатические спир­ ты, кислотность гидроксильных групп которых мала, дают низкие выходы соответствующих алкилфторидов и большие количества эфиров, образующихся вследствие побочной реакцйи дегидратации.'Поэтому для реакции с четырехфтористой серой обычно используются спирты, имеющие в молекуле ка­ кие-либо электроотрицательные заместители.

различных нитроспиртов [27]. Если 2,2,2-тринитроэтанол превращается в 2,2,2-тринитрофторэтан при комнатной тем­ пературе, то для получения соответствующих производных из 2,2-динитропропанола и 2,2-динитро-1,3-пропандиола требует­ ся температура 85—90°. 2-метил-2-нитропропанол даже при 110° не вступает в реакцию замещения. После 8 часов нагре­ вания образуются только следы продукта, содержащего кар­ бонильные группы.

Легко вступают в реакцию с четырехфтористой серой фтор­

ную способность спирта не влияет длина фторалкильного ра­ дикала. Поэтому эта реакция может служить общим методом синтеза полифторалканов из спиртов, имеющих формулу H(CF2)nCH2OH, которые легко могут быть получены теломеризацией тетрафторзтилена метанолом. Для фторирования

8 5

(а-трифторметил)-бензилового спирта иа фтор при действии четырехфтористой серы позволяет осуществить в несколько стадий синтез перфторстирола [30]. 2,3,4,5,6-пентафтор- (а-трифторметил)-бензиловый-спирт может быть получен по известной методике присоединением трифторацетальдегида к пентафторфенилмагнийбромиду, полученному из бромпентафторбензола с последующим гидролизом [31]. Обработка по­ лученного спирта избытком четырехфтористой серы при 55— 85° дает новое соединение— (1,2,2,2-тетрафторэтил)-пер- фторбеизол.

C0F5- C H - C F 3+SF4->CGF5- C H - C F 8+SO F2+HF.

—>CGF5C F=C F2

Спирт, аналогичный по строению рассмотренному выше, но имеющий вместо а-трифторметильного заместителя ме­ тальную группу, не вступает в реакцию замещения. При дей­ ствии четырехфтористой серы вместо фторирования происхо­ дит дегидратация с образованием двойной связи [10]:

Пентафторфенилметиловый спирт в аналогичных условиях превращается во фторметилпентафторбензол [10]. Третичная гидроксильная группа в спиртах, содержащих в. а-положении электроотрицательные заместители, легко замещается на фтор. Найример, фенил-бис (трифторметил) карбинол при

86

температуре 150° дает 2-фенилперфторпропан с выходом 91% [13]:

Реакционная способность гидроксильной группы в рассматри­ ваемой реакции выше, чем карбонильной группы, поэтому из оксикетонов можно реакцией с четырехфтористой серой полу­ чать фторсодержащие кетоны. Например, при обработке а-трополона четырехфтористой серой при 50° получают лишь а-фтортропон [2,32].

Аналогичному превращению подвергается 3,5, 7-трнбромтро- полон при нагревании его с четырехфтористой серой при 60°.

Механизм замещения гидроксильных групп на фтор при действии четырехфтористой серы не исследован. По аналогии с механизмом,, предложенным для реакции SF4 с карбониль­ ными соединениями, предполагается, что вначале образуется нестойкий промежуточный эфир R- ÖSF3, который затем под­ вергается перегруппировке [2]. На первой стадии возможно образование комплекса, в котором кислород гидроксильной группы проявляет электронодонорные свойства. Такое взаимо­ действие допустимо, поскольку известно, что четырехфтори­ стая сера выступает в некоторых случаях как слабая кислота Льюиса [33]. Полученный комплекс, отщепляя фтористый во­ дород, образует затем соединение R—OSF3. Допускается так­ же, что вследствие сильнокислого характера спиртов, реагиру­ ющих с йетырехфтористой серой, начальной стадией реакции является образование прочной водородной связи между про­ тоном гидроксила и одним из атомов фтора четырехфтористой серы [34]. Это облегчает взаимодействие серы с электронной парой кислорода с последующим выделением фтористого во­ дорода и образованием алкокситрифторида серы. Недавно соединение, имеющее строение R—OSF3, было получено в чи­

8 7

стом виде. При фторировании 2-фтор-2,2-дииитроэтанола был выделен и* идентифицирован 2 -фтор-2 ,2 -дииитроэтокситрифто- рид серы [35]:

Наряду с указанным соединением были выделены 1,2-ди­ фтор-1,1-динитроэтан и 2-фтор-2,2-дшіитроэтилсульфит. Влия­ ние условий этой реакции на ’выходы указанных соединений приведены в табл. 5.5.

приписывается промывке водой при выделении; " — выход не определялся.

Нагревание 2-фтор 2,2-динитроэтокситрифторида серы в метиленхлорцде и бензоле при 100°С в течение 20 часов не привело к получению соответствующего фторида. Анализ по­ лученной смеси методом ЯМР показал отсутствие в ней 1,2- дифтор-1,1-динитроэтана и наличие 2 -фтор-2 ,2 -динитроэтил- сульфита и 2 -фтор-2 ,2 -дпнитроэтанола.

На основании этих данных предложен механизм замеще­ ния гидроксильных групп, в котором алкокситрифторид сёры не является прямым промежуточным соединением при образо­ вании связи С—F [35]. Согласно этому механизму первой ста­ дией реакции является присоединение четырехфтористой серы к гидроксильной группе с образованием биполярного иона:

Н

R—O H +SF4—*R - 0 - S F *

I

88

Депротонизация этого комплекса приводит к образованию аниона, который затем подвергается внутримолекулярной, пе­ регруппировке, давая алкилфторид:

SOF2 +HI-

Соединение R—OSF3 может образовываться в результате

побочной реакции отщепления иона фтора от промежуточного аниона:

R—OSF4—*-R—OSF3+F-.

Рассмотрение приведенных механизмов показывает, что образование связи С—F происходит в результате внутримо­ лекулярной перегруппировки продуктов взаимодействия четырехфтористой серы и спирта. При этом выделяющийся фтористый водород не принимает участие в процессе замеще­ ния.

Однако полученные в последнее время результаты по за­ висимости степени замещения гидроксильных групп в целлю­ лозе на фтор при взаимодействии ее с четырехфтористой се­ рой [36] указывают на то, что в реакции участвует также фто­ ристый водород или его комплекс с четырехфтористой серой.

При взаимодействии спиртов с четырехфтористой серой могут образовываться соединения, в которых положение ато­ ма фтора не соответствует положению гидроксильной группы в исходном спирте. Например, при фторировании 1,1-бис (ди- фторхлорметил)-1-этанола происходит образование третично­ го алкилгалогенида по схеме [37]:

8S