1,2,2-Trichloroethene-1-sulfonyl fluoride – a versatile synthetic building block

Schrader, Sheida

doi:10.21268/20250114-2

published

1,2,2-Trichloroethene-1-sulfonyl fluoride – a versatile synthetic building block

German
English

Schwefelhaltige Verbindungen stellen eine wesentliche Klasse von Chemikalien dar, die breite Anwendungen in der organischen Synthese, Materialwissenschaft, Agrar- und Medizinchemie finden. In den letzten Jahrzehnten hat die Sulfonylfunktionalität unter den verschiedenen Schwefelverbindungen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften besondere Aufmerksamkeit erhalten. Da Halovinylsulfone als äußerst vielseitige Zwischenprodukte in der Synthese etabliert sind, besteht ein anhaltendes Interesse an der Entwicklung kosteneffizienter und einfacher Methoden zur Herstellung und Erforschung dieser Verbindungen. Obwohl seit 1950 umfangreiche Forschung zu Halovinylsulfonen betrieben wurde, bleiben verschiedene bedeutende Aspekte dieser Chemie unerforscht.
Das Ziel der Arbeit war die umfassende Untersuchung der Reaktivität, Stabilität und Selektivität von 1,2,2-Trichlorethen-1-sulfonylfluorid, das in zwei Schritten durch Chlorosulfinierung von kostengünstigem Trichlorethen synthetisiert wurde, sowie von 1,2,2-Trichlorethen-1-sulfonylbenzol, das über eine Friedel-Crafts-Reaktion von 1,2,2-Trichlorethen-1-sulfonylfluorid mit Benzol gewonnen wurde. Hierzu dienten nukleophile vinylogische Substitutionsreaktionen als fundamentale Umwandlungen zur Synthese neuer organischer Verbindungen mit Sulfonylgruppen. Das β-Kohlenstoffatom dieser Verbindungen kann durch den elektronenziehenden Effekt der Sulfonylgruppe aktiviert werden, wodurch beide Chloratome an der C-2-Position durch verschiedene Nukleophile ersetzt werden konnten. Reaktionen mit N-Nukleophilen wie Anilinen führten zur Bildung von Amidinverbindungen, die weitere Reaktionen eingingen, um Phenylsulfonyl-1H-Indole, Sulfonylacetamide und eine neue, effiziente Synthesemethode für 1H-Tetrazolyl-5-amin zu entwickeln. Reaktionen mit S-Nukleophilen wie Thiolen resultierten in Thioethern, während Reaktionen mit bidentaten Nukleophilen zur Synthese von fünf- und sechsringigen Heterocyclen wie Imidazolidinen, 1,3-Dithiolanen, 1,3-Dithianen, 1,3-Oxathiolanen, Benzimidazolen, Benzoxazolen, Benzothiazolen, Chinazolinen und Perimidinen führten. Diese Heterocyclen zeigten Potenzial für weitere Reaktionen und Modifikationen. Ein besonderer Fokus wurde auf die umfassende Untersuchung von 2-[(Benzenesulfonyl)(chloro)methyl]-1H-Benzimidazol gelegt, da dessen Struktur vielseitige reaktive Zentren aufweist. Diese Zentren ermöglichten eine Vielzahl nukleophiler Substitutions- und Additionsreaktionen, die zahlreiche chemische Umwandlungen eröffneten. Die Schwefelfluoridaustauschreaktion (SuFEx) wurde eingehend untersucht, wobei der Einfluss verschiedener Substituenten an der Sulfonylfluoridgruppe auf die Reaktivität organischer Sulfonylfluoride im Mittelpunkt stand. Darüber hinaus wurde die Anpassungsfähigkeit von 1,2,2-Trichlorethen-1-sulfonylbenzol in verschiedenen chemischen Reaktionen durch die Durchführung von Pd-katalysierten C-C-Kupplungsreaktionen, insbesondere Sonogashira- und Suzuki-Miyaura-Reaktionen, erforscht. In dieser Arbeit wurden insgesamt 130 Verbindungen synthetisiert, identifiziert und charakterisiert.
Die mikrobiologische Aktivität der meisten in dieser Forschung präsentierten Verbindungen wurde im Bereich der Pflanzenschutzwissenschaften von BASF Agricultural Solutions untersucht, während die Bewertung antibakterieller, antiviraler und zytotoxischer Eigenschaften am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig durchgeführt wurde. Einige Verbindungen zeigten in ersten Untersuchungen günstige in vivo-Aktivitäten als Insektizide und Fungizide. Darüber hinaus wiesen bestimmte Verbindungen eine vielversprechende Wirksamkeit gegen eine Vielzahl bakterieller Stämme sowie zytotoxische Aktivität auf.

Sulfur-containing compounds are an essential class of chemicals with broad applications in organic synthesis, materials science, agricultural and medicinal chemistry. In recent decades, the sulfonyl functional group has received significant attention among various derivatives of sulfur-containing compounds owing to its unique properties. Since halovinyl sulfones have emerged with exceptional versatility as synthetic intermediates, there is a constant interest in formulating cost-effective and straightforward synthetic methods for preparing and studying these specific compounds. Although extensive research has been conducted on halovinyl sulfones since 1950, various significant aspects of this chemistry remain unexplored.
The work aimed to comprehensively investigate the reactivity, stability and selectivity of 1,2,2-trichloroethene-1-sulfonyl fluoride synthesized from chlorosulfination of cost-effective trichloroethene in two steps and 1,2,2-trichloroethene-1-sulfonyl benzene, which was derived via Fridel-Crafts reaction of 1,2,2-trichloroethene-1-sulfonyl fluoride in benzene. To this aim, nucleophilic vinylic substitution reactions served as fundamental transformations for the synthesis of a new array of organic compounds comprising sulfones. β-Carbon of these compounds can be activated due to the electron-withdrawing effect of sulfonyl groups. Therefore, both chlorine atoms at the C-2 position could be replaced by various nucleophiles. Rection with N-nucleophiles such as anilines formed amidines, which underwent further reactions to synthesize phenylsulfonyl-1H-Indoles, sulfonyl acetamides and developing a new and efficient method for the synthesis of 1H-tetrazolyl-5-amine. Reaction with S-nucleophiles such as thiols resulted in thioethers and reactions involving bidentate nucleophiles led to syntheses of five and six-membered heterocycles, including imidazolidines, 1,3-dithiolanes, 1,3-dithianes, 1,3-oxathiolanes, benzimidazoles, benzoxazoles, benzothiazoles, quinazolines and perimidines. These heterocycles exhibited potential for additional reactions and modifications.
The extensive examination was directed towards 2-[(benzenesulfonyl)(chloro)methyl]-1H-benzimidazole due to its structural versatility with distinct reactive sites. These sites facilitated a diverse range of nucleophilic substitution and addition reactions, which presented prospects for manifold chemical transformations.
The sulfur fluoride exchange reaction (SuFEx) was accurately studied with a specific focus on the influence of different substituents attached to the sulfonyl fluoride on the reactivity of organic sulfonyl fluorides.
Furthermore, to comprehensively explore the adaptability of 1,2,2-trichloroethene-1-sulfonyl benzene across diverse chemical reactions, an exploration into the implementation of Pd-catalyzed C-C coupling reactions, especially Sonogashira and Suzuki-Miyaura reactions was undertaken. In this work, a total number of 130 compounds were synthesized, identified and characterized.
The microbiological activity of the majority of the compounds presented in this research was examined in the field of crop science by BASF Agricultural Solutions and the assessment of antibacterial, antiviral and cytotoxic properties was undertaken at the Helmholtz Centre for Infection Research in Braunschweig. Several compounds exhibited favorable activity in vivo as insecticides and fungicides during the initial investigation. Additionally, certain compounds demonstrated promising efficacy against a spectrum of bacterial strains and showed cytotoxic activity.