Use of mono- and polyanions in the synthesis of multisubstituted hydrazine derivatives

Abstract

The thesis describes the discovery and development of a completely new strategy for the systematic synthesis of hydrazine derivatives. Also its connection with physical organic chemistry has been shown. The key step of the polyanion strategy is a formation of di- and trianions of hydrazine derivatives and their subsequent selective alkylation with the diverse substituents. A possibility of acylation and sulfonation of polyanions has been shown. Also the polyanion strategy can be successfully applied for the synthesis of heterocycles. The use of monoanions is studied during our investigations and found to be effective in certain cases. The discovered strategy contains many unprecedented results. For example existence of trianion was firstly reported. Furthermore the application of polyanions for the systematic synthesis of hydrazine derivatives is also firstly reported. The polyanion strategy includes several methods, which can be applied according to the structure and complexity of the target compound. The polyanion strategy provides much faster approach to the substituted hydrazines. Tetrasubstituted products with any desired substituents (all substituents are different) are obtained in five steps starting from hydrazine hydrate. In contrast to that, all the methods reported before demand at least twice as much steps. Furthermore, the desired product can be prepared in one step if starting from a disubstituted hydrazine derivative. The formation, stability and use of dianions for the systematic synthesis of hydrazine derivatives were investigated. Also the formation and use of trianion for the same purposes was firstly reported. The dianions have formed very efficiently and mainly they were found to be completely stable under inert atmosphere. Numerous substrates bearing Boc, Ph, Et, COCF3, COOEt groups were studied. Neighboring group effects and steric hindrance of polyanions were investi­gated. It was found that neighboring groups had a very big influence to the reactivity of corresponding dianions. Steric effects were not a problem, however in some cases they shown to be strong enough to prevent a formation of the desired product. The scope and limitations of polyanion strategy were also thoroughly investi­gated and demonstrated. It was found that this new strategy is very general and can be applied in the systematic synthesis of hydrazine derivatives. Despite some limitations due to instability of the substituents with complex functionality, the polyanion strategy is a very fast and selective approach to the substituted hydrazines. During the preliminary studies a number of acidic hydrazine derivatives were synthesized. Their pKa values were measured and used for the development of structure-property correlations of hydrazine derivatives. Dissertatsioon kirjeldab täiesti uue strateegia leiutamist ja arendamist hüdrasiini derivaatide süstemaatilise sünteesi jaoks. Samuti näidati selle stateegia seos füüsikalise orgaanilise keemiaga. Polüanioonide strateegia võtme etapiks on di- ja trianioonide moodustumine ning nende edasine selektiivne alküülimine erinevate asendajatega. Lisaks sellele näidati võimalust polüanioone atsüülida ja sulfoonida. Polüanioonide strateegiat võib rakendada ka heterotsüklite sünteesiks. Uuriti monoanioonide kasutamist ning näidati nende efektiivsust kitsamatel juhtudel. Leiutatud strateegia sisaldab palju uusi tulemusi. Näiteks trianiooni eksisteerimist publitseeriti esmakordselt. Peale selle polüanioonide kasutamine hüdrasiini derivaatide sünteesi jaoks pole varem kirjeldatud. Polüanioonide strateegia sisaldab mitmed meetodid mis kasutatakse sõltuvalt sihtmolekuli struktuurist ja komplitseeritust. Polüanioonide strateegia on väga kiire meetod asendatud hüdrasiinide sünteesi jaoks. Tetraasentadatud produktid mistahes asendajatega (kõik võivad olla erinevad) võivad olla saadud viie etappiga lähtudes hüdrasiinhüdraadist. Kõik teised seni tuntud meetodid nõuavad vähemalt kaks korda rohkem etappe. Peale selle juhul kui lähtutakse diasendatud hüdrasiini derivaadist soovitud produkti on võimalik saada ühe etappiga. Uuriti dianioonide moodustumist, stabiilsust ning kasutamist hüdrasiini derivaatide sünteesiks. Samuti uuriti trianiooni moodustamist ning kasutamist samal eesmärgil. Dianioonid tekkisid väga efektiivselt ja põhiliselt nad olid täiesti stabiilsed inertse atmosfääri all. Mitmed substraadid Boc, Ph, Et, COCF3, COOEt rühmadega olid uuritud. Uuriti naaberrühmade efekte ja steerilist takistust polüanioonides. Leiti et naaberrühmad mõjutavad dianioonide reaktiivsust väga tugevasti. Steeriline takistus peamiselt ei seganud reaktsioonide kulgemist, kuid teatud juhtudel see oli piisav selleks et vältida soovitud produkti teket. Põhjalikult uuriti ja demonstreeriti polüanioonide strateegia kasutusala ja piiranguid. Leiti et see strateegia on väga üldine ja saab olla kasutatud hüdrasiini derivaatide süstemaatiliseks sünteesiks. Vaatamata mõnedele piirangutele, mis on seotud funktsionaalsete rühmade ebastabiilsusega, polüanioonide strateegia on väga kiire ja selektiivne meetod asendatud hüdrasiinide saamiseks. Algsete uuringute käigus sünteesiti mitmeid happelisi hüdrasiini derivaate. Mõõdeti nende pKa konstante ja kasutati neid hüdrasiini derivaatide struktuur-omadus korrelatisionide tegemiseks.