Анодное бензильное метоксилирование и расщеплениебензильных углерод-углеродных связей в арилалифатических соединениях тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. Н. Д. ЗЕЛИНСКОГО

? Г Б ОД

На правах рукописи

9 Я Плп 5грг|

ИЛОВАЙСКИЙ АЛЕКСЕЙ ИГОРЕВИЧ

Анодное бензильное метоксилирование и расщепление бензнльных углерод-углеродных связей в арилалифатических соединениях

02.00.03 - органическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Лаборатории исследования гемолитических реакций Института органической химии им. Н. Д. Зелинского Российской Академии наук (заведующий - член-корр. РАН Г. И. Никишин) и поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант 95-03-08444).

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Огибин Ю. Н. Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Петросян В. А. доктор технических наук, профессор Томилов А. П.

Ведущая организация:

Институт элементоорганической химии им. А. Н. Несмеянова РАН

Защита диссертации состоится 30 июня 2000 г. в 10 часов на заседании Диссертационного Совета К 002.62.02 по присуждению ученой степени кандидата химических наук в Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН по адресу: 117913, Москва, Ленинский проспект, 47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОХ.

Автореферат разослан_мая 2000 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета,

доктор химических наук

Н. Я. Григорьева

'У-2

Актуальность темы. Развитие органической электрохимии все более перемещается из сферы интересов специалистов-электрохимиков в область интересов широкого круга химиков-органиков, что является прямым следствием возрастающего научного и практического значения исследований электрохимических превращений органических соединений и создаваемых на их основе методов органического синтеза. Это происходит благодаря широким, а в ряде случаев уникальным возможностям применения электрического тока как универсального окислителя и восстановителя для осуществления многообразных трансформаций органических молекул. Роль органического электросинтеза, принимая во внимание его преимущества перед многими химическими синтезами с точки зрения экологии, в будущем должна стать еще более значимой.

Среди методов электроорганического синтеза важное место занимает анодное окисление органических соединений. Одними из перспективных объектов для реакций анодного окисления являются арилзамещенные алканы и алкены, электрохимическое окисление которых приводит к ароматическому или бензильному замещению, а также к расщеплению бензильных углерод-углеродных связей этих веществ. Анодное замещение арилалифатических соединений по ароматическому ядру - предмет исследований большого числа работ, •. обобщенных в ряде монографий и обзоров. В отличие от этого процесса расщепление бензильных углерод-углеродных связей арилзамещенных алканов и алкенов остается к настоящему времени малоизученным.

Чвль работы - исследование электрохимического бензильного метоксилирования и расщепления бензильных углерод-углеродных связей в арилзамещенных алканах и алкенах при их анодном окислении в бездиафрагменном электролизере в режиме постоянного тока; создание препаративных методов синтеза соединений, которые невозможно получить известными методами или которые получают более сложными или экологически менее чистыми способами. В рамках этого общего направления решалась также задача по разработке технологически легко адаптируемого электрохимического метода синтеза анисового альдегида, который позволил бы заменить на электрический ток однократно используемые реагенты-окислители и сократить количество отходов.

Научная новизна и практическая ценность работы. Впервые проведено систематическое исследование расщепления бензильных одинарных и двойных углерод-углеродных связей арилалканов, арил- и ареноциклоалканов, сопряженных арилалкенов, фенил- и ареноциклоалкенов в условиях прямого анодного окисления в спиртах. Установлены основные закономерности этих реакций и характер влияния на их эффективность строения субстрата, материала электродов, природы электролита и других условий эксперимента. Найдены условия селективного превращения сопряженных арилалкенов, фенил- и ареноциклоалкенов в продукты диметоксилирования двойной связи и в ацетали карбонильных соединений; осуществлено электрохимическое расщепление СГС2 к- и о-связей аценафтилена и аценафтена в метаноле. Обнаружена электроокислительная перегруппировка транс-стмпъбена в ацетали дифенилацетальдегида. Созданы новые методы синтеза ш-бензоилалканалей и 2-(а>-оксоалкил)бензальдегидов, содержащих карбонильные группы в 1,5-, 1,6- и 1,7-положениях, а также их моно- и диацеталей и кеталь-ацеталей - ключевых интермедиатов в синтезе 5-7-членных карбо- и гетероциклов.

На основе реакции электрохимического окисления 4-пропениланизола и 4-метокситолуола разработаны технологически легко адаптируемые способы получения анисового альдегида - ценного душистого вещества, широко применяемого в пищевой и парфюмерной промышленности и многоцелевого полупродукта органического синтеза.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 9 статей. Основное содержание работы докладывалось на XII и XIII совещаниях по электрохимии органических соединений (Караганда, 1990г.; Тамбов, 1994г.), IX Европейской конференции по органической электрохимии (Испания, 1995г.), Ill Международном симпозиуме по электроорганическому синтезу (Япония, 1997г.) и на XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 1998г.).

Объем диссертации. Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, обсуждения полученных результатов, экспериментальной части и выводов. Материал иллюстрирован 27 таблицами, 5В схемами и 3 рисунками. Список литературы включает 260 наименований.

Основное содержание работы 1. Прямое бензильное метоксилированиа 4-метокситолуола

Прямое анодное диметоксилирование 4-метокситолуола (1) в сочетании с последующим гидролизом ацеталя (3)(схема 1) уже длительное время привлекает внимание химиков как прогрессивный способ получения анисового альдегида (4), альтернативный ресурсозатратным и экологически опасным химическим способам получения этого альдегида.

Схема 1

ОМе ОМе ОМе ОМе

1 2 3 4

Основное препятствие на пути практической реализации этой схемы связано с трудностью подавления нежелательного электрохимического процесса олигомеризации исходного субстрата, что затрудняет достижение высокой селективности и эффективности в трансформации субстрата 1 в альдегид 4. В связи о этим сохраняют свою актуальность исследования, направленные на решение этой проблемы.

Цель настоящего исследования состояла в разработке процесса, который позволил бы осуществлять превращение исходного субстрата 1 в конечный продукт 4 с высокой конверсией и селективностью и, кроме того, обеспечивал бы многократную простую регенерацию фонового электролита. С этой целью нами было изучено электрохимическое превращение субстрата 1 в ацеталь 3 на фоне КР, диалкилфосфатов, тетрафторбората и тозилата тетраалкиламмония в бездиафрагменном электролизере. В качестве анодных материалов использовались графит (С), платина, платинированный титан (И/Л) и окиснорутениевотитановый анод (ОРТА); были исследованы различные приемы регенерации фоновых электролитов. Установлено, что лучшим из исследованных электролитов является КР, а из анодных материалов - графит и ОРТА (табл. 1). Важное преимущество фторида калия перед другими электролитами заключается в простоте его регенерации - после упаривания метанола и разбавления остатка петролейным эфиром он почти полностью осаждается, а продукты электролиза

остаются в растворителе.

Таблица 1. Электроокисление 4-метокситолуола (1) на фоне KF с применением различных анодных материалов

Анод Продукты, выход (%) б-в>

МеО—CH2OMe МеО—сно <ог Me МеО—СООМо

2 4 5 6

С 6 74 2 1

Pt 7 68 3 5

Pt/Ti 9 63 6 3

OPTA 9 73 0.2 0.5

а> 75-150 ммоль 1, 15 ммоль электролита, 130 мл сухого МеОН; катод-нерж, сталь, 4.5 Р/моль, анодная плотность тока 20-40 мА/см2, 60 °С. 6' После гидролиза реакционной смеси.

в> Выход на превращенный 4-метокситолуол; конверсия 94-97%.

В использованных условиях электролиза наряду с продуктами бензильного моно- и диметоксилирования субстата 1 образуются диенон 5 и эфир 6. Диенон 5 полумается в результате присоединения апектрогенерируемых МеО- к 1 и последующих превращений образующегося аддукта (схема 2):

Схема 2

1

МеОН-

-Н+

• МеО'-

меКЭСе

Me МеОН

Л=Ле " °=Л=Ле

5

МеО

Сложный эфир 6 - продукт окисления ацвтапя 3 до ортоэфира 4-МеОСбН4С(ОМе)з и гидролиза последнего.

Таким образом, наиболее эффективно анодное бензильное диметоксилирование 4-метокситолуола (1) протекает на фоне КР с графитовым анодом (суммарная конверсия 1 и 2 >90%, селективность 74%); при этом существенно упрощается регенерация электролита и выделение целевого продукта - анисового альдегида.

2. Эяоктоохимическоо вииинальное диметоксилиоование сопряженных арилалквнов. прилииклоалкенов и ароноииклоалкенов

Этот процесс, представленный на схеме 3, происходит при бездиафрагменном анодном окислении приведенных в табл. 2 субстратов 7-14 в метаноле, когда количество пропущенного электричества не превышает 2 Г/моль.

Схема 3

На примере электролиза стирола (7а; В1=Н2=Н) в различных условиях найдено, что 1,2-диметокси-1-фенилэтан (15а; Й1=Н2=Н) с наибольшей конверсией (90-93%) и селективностью (76-80%) получается при низкой начальной концентрации субстрата (¿0.5 М) и проведении процесса на фоне КР или Ви4МВЯ4 с И-анодом при температуре 60 °С. В этих условиях наряду с 15а в небольших количествах образуются ряд других продуктов: диметилацеталь бензальдегида (выход 1%), (1,2,2-триметокоиэтил)бензол (2-3%), 1,4-диметоксизамещеные 1,3-, 1,4- и 2,3-дифенилбутаны (4-5%). Выход дифенилбутанов и олигоМеров резко возрастает при высоких начальных концентрациях стирола.

Другие исследованные сопряженные арилалкены, арилциклоапкены и ареноциклоалкены, за исключением транс-стильбена (В; Р1=Н, Р2=РЬ), в условиях, оптимальных для стирола, с высокой конверсией (75-95%) и выходом (70-90%) были превращены в продукты еиг/-диметоксилирования 15-22 (табл. 2). Что касается транс-стильбена, то его специфическое поведение связано с конкурентной электроокислительной трансформацией в ацеталь дифенилацетальдегида (см. раздел 3).

Исследование строения полученных продуктов виу-диметоксилирования спектральными и хроматографическими методами показало, что 1,2-диметокси-1-арилпропаны 15Ь, 18а,Ь и 19а,Ь образуются в виде смесей примерно равных количеств зритро- и трео-изомеров, 1,2-диметокси-1,2-дифенилэтан (16) - в виде с//- и мезо-форм в соотношении 3:1, а 1-фенил-1,2-диметоксициклоапканы 20а-с и а,р-диметоксизамещенные ареноциклоалканы 21а,Ь-22 - в виде цис- и трансизомеров. Соотношение цис-/транс- изомеров возрастает с увеличением размера

7-14

15-22

цикла - с 1:1 до 5:1 при переходе от 20а к 20с и с 1:1 до 1.9:1 при переходе от 21а к 21Ь.

Таблица 2. Анодное вицинапьное диметоксилирование арилалкенов, фенилциклоалкенов и ареноциклоалкенов а>

Субстрат

Конверсия, %

Продукт

сопряженных

Выход, %«

Ph'

R=H R=Me

7а 7Ь

93

ез

ОМэ

Ph^v

ОМе

15а 15Ь

80 76

Ph'

8

88

ОМе ОМе

16

41

Ph'

R

R1=Me, R2=H 9а 86 R'=Me, R2=Et 9b 75 R1=Ph, R2=H 9c 58

OMe

17a 70 17b 73 17c 86

R=Me R=OMe

10a 10b

95 81

MeO

18a 18b

88 76

Ri=R2=oMe 11a 88 R1,R2=-0CH20- 11b 90

ОМз

19a 60 в) 19b 58»)

n=1 n=2 n=3

12a 12b 12c

78 75 90

20a 75 20b 70 20c 85

n=1 n=2

13a 13b

83 80

OMe

CXroMe

21a 21b

74 76

14

77

22

80

15 ммоль субстрата, 3 ммоля КР или Ви4№Р4, 30 мл сухого МеОН, И - анод, катод ■ нержавеющая сталь, плотность тока 100 мА/см2, 2 Р/маль, 60 °С. 6> Выход по веществу и по току на превращенный субстрат, в) Количество пропущеного электричества 1.5 Я/мсль, выход по току - 80%.

3. Электроокислительная перегруппировка мранс-стильбена в аиетали дифенилаиетальдегмнп

Было обнаружено, что при прямом анодном окислении транс-стильбена (8) в низших спиртах и их смесях с ацетонитрилом, алкилацетатами и диалкилкарбонатами наряду с 1,2-диапкокси-1,2-дифенилэтанами 16 наблюдается образование ацеталей дифенилацетальдегида 23 - продуктов электроокислительной перегруппировки 8 (схема 4):

Схема 4

^ЯОН ркХ1у Я + Г Р(1

8 ОР* ¿И

23 16

Р=Ме, Е1

На относительный вклад этих направлений существенное влияние оказывает природа используемого растворителя, а также температура (табл.3).

Тпблтп 3. Влияние растворителя и температуры на анодное окисление транс-стильбена (8) а>

Растворитель П Конверсия Продукты, выход % б) 23/16

°С 8, % 23 16

МеОН 60 88 41 40 - 1

МеСИ-МеОИ (20 : 1) 60 45 10 1 10

ЕЮН 20 42 31 24 1.3

ЕЮН 78 92 52 21 2.5

(ЕЮ)2СО-ЕЮН (9 : : 1) 78 90 32 8 4.0

а) 2 ммоля 8, 2 ммоля ВидИВР^ 20 мл сухого МеОН, анод - графит, катод -нержавеющая сталь, плотность тока 100 мА/см2, 2 Р/ьлопъ.

б) Выход по веществу и по току на превращенный 8.

Электроокислительная перегруппировка транс-стмпьбена в ацетали 23 является окислительной изомеризацией с 1,2-миграцией арильной группы; движущей силой перегруппировки служит образование более стабильного катиона. Прямое анодное окисление 8 в МеОН приводит к катион-радикалам 8+", которые в результате последовательного метоксилирования, депротонирования и окисления превращаются в катионы 24 (схема 5):

Схема 5

ОМе оМе

Направление дальнейших превращений элекгрогенерированного катиона 24 определяется конкуренцией внешнего (растворитель и противоионы электролитов) и внутреннего (р-фенил) нуклеофилов за взаимодействие с положительно заряженным атомом углерода этого интермедиата (схема 6, маршруты а и Ь):

Схема б

_^ Мвон

24 -" --П.. Л. ^ОМе

(МвО')

ОМе ОМе

Р \С ОМе

23

На фоне МеО№ процесс протекает только по маршруту Ь\ в менее нуклеофильных средах реализуется маршрут а. Соответственно, уменьшение концентрации внешнего нуклеофила и рост температуры приводят к увеличению выхода продукта перегруппировки.

Влияние ЕЮН как среды на протекание перегруппировки оказалось противоположным тому, которое ожидалось с химической точки зрения: ЕЮН, как более активный в сравнении с МеОН внешний нуклеофил, должен был бы сильнее противодействовать протеканию перегруппировки. Поэтому не исключено, что в данном случае играет роль катодное восстановление спиртов с генерацией алкоксильных анионов:

ВОН +е > ЯО" + 1/2Нг Образование последних из МеОН (Е « -1.3 В отн. Ад/АдС1) происходит легче, чем из ЕЮН (Е » -1.7 В отн. Ад/АдС1). В результате этого в метанольных растворах создается более высокая, чем в этанольных, концентрация алкоксильных анионов, которые, являясь более сильными внешними нуклеофилами, активнее ингибируют перегруппировку.

4. Электрохимическое растепление бензильных С-С связей в арилалканах. аоилииклоалканах и ареноииклоалканах

Для оценки влияния структуры субстрата и условий электролиза на расщепление бензильной С-С связи (схема 7)

Схема 7

нами проведено детальное исследование прямого анодного окисления в метаноле широкого круга арилалканов, арил- и ареноциклоалканов, преимущественно с кислородсодержащими заместителями в различных положениях ароматического ядра, алкильной и циклоалкильной групп.

Электролиз проводили в бездиафрагменной ячейке, снабженной С- или Р1-анодом и катодом из нержавеющей стали, в режиме постоянного тока до 35-95%-ной конверсии субстрата, которая в зависимости от его строения достигалась при пропускании 2-9 Р электричества на 1 моль субстрата.

4.1. Электрохимическое расшоплонио бензильных углерод-углеродных связей п нозамешонных. а- и р-моиозамещенных. а.а- и В.р-дизамощенных Фснилалкянпх. Исследованные соединения этих типов, для которых наблюдалось электрохимическое расщепление бензильной С-С связи, приведены в табл. 4.

Строение образующихся продуктов дает основание описать превращения типичных субстратов (25Ь,с1) схемой 8:

+

Схема 8

25Ь

25Ь

27

-2е, МеОН

Ме

"ОМе

25с1

ОМе

26

Р\Г ОМе 27

ТибЛИ Ц0 4- Электрохимическое расщепление бензильной С-С связи в незамещенных, моноэамещенных и (3,р-дизамещенных фенилалканах а>

Соединение Конверсия,% Продукты расщепления Выход, % б>

25а 42 РИСНгОМе (26) РЬСН(ОМе)г (27) 31 7

о. 25Ь 35 27 48

Мв^ОНс н 25С 56 РЬСОМе 30

оме 256 41 26 27 34 12

РК ^ 25е 65 26 27 32 11

25» 70 26 27 43 7

»> 2 ммоля субстрата, 3 ммоля CFзCOONa, 30 мл сухого МеОН, 9 Я/моль, 60 °С. ®1 Выход по веществу на превращенный субстрат, данные ГЖХ с внутренним стандартом.

Образование ацеталя-27 наряду с эфиром 26 при электролизе субстратов 25а и 25сМ может быть также связано с их конкурентным бензильным монометоксилированием и последующим расщеплением бензильной С-С связи (схема 9):

Схема 9

РГГ ^ 25а, «М

-2в, МеОН РМ

Ме

РЬ^Я

ОМе"1+

"рь^Я I

-е, 2МеОН -НОМа

ОМе

РИ^ОМе 27

4.2. Электрохимическое расщепление бензильных углерод-углеродных связей в а,В-дизамещенных Фенилалканах. На примере 1,2-диметокси-1-фенилэтана (15а) установлено, что электрохимическое расщепление бензильной С-С связи с образованием ацеталя бензальдегида (27) наиболее эффективно происходит на фоне Вщ№р4 с графитовым анодом. В найденных оптимальных

условиях проведено расщепление бензильной С-С связи а,Р-дизамещенных фенилалканов, фенилциклоалканов и ареноциклоапканов (табл. 5).

Таблица 5. Электрохимическое расщепление бензильных С-С связей в а,р-дизамещенных арилапканах. а>

Субстрат

О, Конвер Р/мол сия, %

Продукт

Выход, %в>

ОМе ОМе

н=н

й=Мв Р=РИ

15а 15Ь 16

4

98 91 83

ОМе

73 (36)

РЬГ "ОМе 73 (36) 90 (45)

ргт

оме

П1=Ме, Р2=Н Р1=РЬ, 1Ч2=Н

17а 17Ь 17с

90 85 80

V

,ОМе РГ) ОМе

69 (35) 58 (29) 78 (39)

ОМе 1Ч=Ме

В=ОМе

ОМе

18а 18Ь

74 ОМе 92 (92)

92 4-РС6Н4'^ОМе 85 (85)

Р(Ду

он

28а 3

86

Р11СНО

74 (50)

хн

Д-МеОСвНд ^

28Ь 1.5 93 4-МеОС6Н4СНО 62(85)

°> 4 ммоля субстрата, 2 ммоля ВщЫВР^ 20 мл сухого МеОН, графитовый анод, катод-нержавеющая сталь, плотность тока 100 мА/см2, 60 "С. 6' Выход по веществу (по току) на превращенный субстрат.

Наибольшее влияние на эффективность расщепления оказывает структура аренового фрагмента. При наличии элекгронодонорных Ме- или МеО-групп в пара-положении для почти полной конверсии требуется теоретическое количество электричества (2 Р/моль), в то время как для незамещенных соединений выход по току снижается, как правило, в 2-2.5 раза.

4

2

4.3. Электрохимическое расщепление бензильных углерод-углеподных связей в а.В-пизамешенных Фенилчиклоалканах и бензоинклоалканах;,

Субстраты, относящиеся к соединениям этого типа, при расщеплении бензильных С-С связей превращаются в дисфункциональные продукты: 1,2-диметокси-1-фенилциклоалканы - в кеталь-ацетали т-бензоилалканапей 29а-с, 1,2-диметоксииндан - в диацетапь 2-(2-оксоэтил)-бенэальдегида 30а и 1,2-диметокси-1,2,3,4-тетрап1дронафталин - в диацеталь 2-(3-оксопропил)-бензальдегида ЗОЬ. Эти продукты были получены с выходом 75-87% при 79-94%-ной конверсии исходных субстратов.

Таблица 6. Электрохимическое расщепление бензильных С-С связей в ct,ß-диэамещенных фенилциклоалканах и бензоциклоалканах.3'

Субстрат

Конверсия,

%

Продукт

Выход,

%

п=1

п=2 п=3

20а 20Ь 20с

88 94 79

МвО оме 9Мв 29а 75 Ph-^S-KT^^^OMe 29b 83 29с 81

Ме

ОМв

п=1 п=2

21а 21Ь

84 82

83 87

а> 4 ммоля субстрата, 2 ммоля ВидЫВЯ*, 20 мл сухого МеОН, графитовый анод, катод-нержавеющая сталь, 4 Р/моль, плотность тока 100 мА/см2, 60 °С. Выход по веществу на превращенный субстрат.

Альтернативные химические подходы к полученным кеталь-ацеталям 29 и диацеталям 30 ранее не были известны, поскольку с помощью обычно используемой для этой цели реакции ацетализации их не удается получить из-за конкурентного образования циклических ацеталей, как например, в случае 2-(2-оксоэтил)бензальдегида (гомофталевого альдегида):

МеО ОМе QMe

Our "

ОМе

ОМе

4.4. Евнзияьноо лиметоксилиропзнио оиетафтена и электрохимическое рпсишплвнив Cj-Cg связи п 1.1- и 1.2-лимотоксиаценаФтенах. Анодное окисление аценафтена (31) в метаноле на фоне KF и CFsCOONa первоначально приводит к его последовательному бензильному моно- и диметоксилированию (схема 10, табл. 7):

Схема 10

„ОМе ЯМе Ме0ч

-ОМе

-е -е

МеОН

МеОН

,ОМе

Таблиия 7. Бензильное метоксилирование аценафтена (31) и 1-метоксиаценафтена (32) а)

Электролит Анод Q, Конверсия Продукты, выход (%) 6)

F/мол 32 33 22

Бензильное метоксилиоование аиена<Ьтена (31 \

KF Pt 2 65 90 (90) - -

KF С 2 61 80 (80) <1 -

KF Pt 6 98 47 (16) 17(11) 3(2)

CF3COONa Pt 6 98 28 (9) 26 (17) 4(3)

CF3COONa С 6 100 13(4) 37 (25) 3(2)

Бензильное метоксилирование 1-метоксиацензФтена (32)

КР И 3 70 - 56 (37) 7 (5)

«) 2.6 ммоля субстрата, 2 ммоля электролита, 20 мл сухого МеОН, 60 "С.

в) Выход по веществу (по току) на превращенный субстрат, данные ГЖХ с

использованием внутреннего стандарта.

Так, при пропускании 2 Р/моль селективно образуется 1-метоксиаценафтен (32), выход до 90%. С увеличением количества пропущенного электричества до 6 Р/моль наряду с 32 образуются 1,1-диметоксиаценафтен (33) и 1,2-диметоксиаценафтен (22) в соотношении от 6:1 до 12:1. Максимальная селективность диметоксилирования 31 {суммарный выход 22 и 33 40%) достигнута на графитовом аноде на фоне СРзСООЫа. При электроокислении 1-

метоксиаценафтена (32) суммарный выход 33 и 22 достигает 63%.

Соотношение продуктов 33 и 22 в пользу первого определяется более эффективной стабилизацией положительного заряда в катионном интермедиате В по сравнению с А (схема 11):

Схема 11

.ОМе .ОМе

МеОН

.ОМе

22

33

А 32

При дальнейшем электроокислении происходит расщепление С1-С2 связи в продуктах 22 и 33. Из 22 образуется смесь бис-диметилацеталя 1,8-нафталиндиальдегида (34), циклического диметилацеталя 1,8-нафталиндиальдегида (1,3-диметокси-1Н,ЗН-нафто[1,8-сс1]пирана) (35) и 1,1,3-триметокси-1Н,ЗН-нафто[1,8-сс1]пирана (36) (схема 12); эти соединения были выделены в индивидуальном виде флэш-хроматографией.

Схема 12

МеО,

.ОМе

-е

.ОМе ОМе

МеО.

ОМе МеО.

+

МеОН

22 34 35 36

Соотношение продуктов, образующихся при окислении 22, зависит от использованного фонового электролита и не зависит от материала анода (табл. 8).

Таблица В. Влияние фонового электролита на электрохимическое расщепление С1-С2 связей в 1,2-диметоксиаценафтене (22) а>

Электролит Анод Конверсия, Продукты, выход на превращенный 22, %

% 34 35 36

С 90 29 5 37

№ К 88 26 3 55

Ви4№Р4 С 73 9 32 37

ВидЫВЯд И 70 7 20 45

а> 2.6 ммоля субстрата, 2 ммоля электролита, 20 мл МеОН, 4 Я/моль, 60 "С.

Электроокисление 1,1-диметоксиаценафтена (33) приводит исключительно к 1,1,3-триметокси-1Н,ЗА/-нафто[1,8-сс1]пирану (36), выход 50%.

Полученные данные о составе продуктов электроокисления субстратов 22 и 33 позволили нам предложить приводимый ниже механизм электроокислительного расщепления С^-Сг связей в этих соединениях. Согласно этому механизму, первоначально происходит трансформация электрогенерированных катион-радикалов 22+" и 33+" в катион-радикалы СиОс разделенными катионным и радикальными центрами (схема 13):

Схема 13

МеО. ОМе

22

22

33

33

с О

Дальнейшие пути превращения интермедиата С определяются конкуренцией между внешним (МеОН) и внутренним (МеО-группа) нуклеофилами (схема 14, пути «а» и «Ь»):

Схема 14

МеО. ОМе

МеО.

МеОН

ОМе

МеОН

ОМе

МеО.

0^ ^.ОМе МеО.

ОМе

-МеОМе Е 35

Межмолекулярная реакция приводит к диацеталю 34, а внутримолекулярная - к О-метилпираниевому иону Е, в результате метанолиза которого образуется циклический ацеталь 35. При электрохимическом расщеплении С1-С2 связи 1,2-диметоксиаценафтена (22) реализуется, а основном, путь «а», однако при электролизе на фоне В^ЫВРд образующаяся вблизи поверхности анода НВР4 катализирует циклизацию 34 в 35 и наблюдаемое на фоне КР соотношение 34/35 меняется на обратное (табл. 8).

Дальнейшее электроокисление ацеталей 34 и 35 приводит к ортоэфиру 36 (схема 15):

Схема 15

34 35

Превращение интермедиата О в продукт 36, вероятно, происходит по схеме 16:

Схема 16

4.5. Обшие закономерности электрохимического расщепления бензильной

С-С ССЯДг!_В мСйДДЯКДпВХ,_ррЬ'ДИйХЛСДЛХЯКаХ—Я-£р£пОЦпКЛиДЛХдпа*,

Результаты нашего исследования электрохимического расщепления С-С связей в арилалканах, арилциклоалканах и ареноциклоалканах свидетельствуют о том, что эти реакции наиболее эффективно протекают в ряду замещенных ароматических соединений с боковыми цепями, содержащими вицинальные метоксильные и гидроксильные группы в а- и р- положениях; в умеренной степени- когда эти группы находятся только в а- / р- положениях и в незначительной степени или не наблюдается вовсе для остальных изученных объектов, за исключением 1,2-дифенилэтана (25а).

Важная роль а- и р- гидроксильных и метоксильных заместителей в процессе фрагментации катион-радикалов (КР) арилалифатических соединений определяется тем, что эти заместители, с одной стороны, уменьшают прочность бензильной С-С связи в КР, а с другой - стабилизируют положительный заряд, возникающий в переходном состоянии при распаде КР; при электроокислении 25а стабилизирующее действие оказывает р-фенил. Кислородсодержащие

заместители как в а-, так и в Р-положении оказывают примерно одинаковое влияние на конверсию субстрата и выход продуктов расщепления С-С связи.

Гидроксилзамещенные арилалифатические соединения, например, 1-фенилпропан-1,2-диол (28а) и 1-(4-метоксифенил)пропан-1,2-диол (28Ь), в большей степени подвержены электрохимическому расщеплению С-С связи, чем их метоксизамещенные аналоги; методом конкурентных реакций установлено, что субстрат 28Ь расходуется в В раз быстрее, чем 1,2-диметокси-1-(4-метоксифенил)пропан (18Ь). Более эффективной фрагментации гидроксильных производных при их анодном окислении способствуют стабилизация элекгрогенерируемых катион-радикалов за счет водородных связей и специфическая сольватация растворителем образующейся карбонильной группы.

Увеличение количества электронодонорных заместителей в ароматическом ядре в случае 1-(1,2-диметоксипропил)-3,4-диметоксибензола (19а) и 1-(1,2-диметоксипропил)-3,4-(метилендиокси)бензола (19Ь) делает фрагментацию С-С связи термодинамически невыгодной в наших условиях, и наблюдается только олигомеризация. По данным проведенного исследования, эффективная фрагментация КР возможна только тогда, когда они образуются из арилапифатических соединений с окислительным потенциалом, сопоставимым или более высоким, чем у (1,2-диметоксипропил)анизола (17Ь), т.е. порядка 1.25 В отн. Ag/Ag4; верхнее значение потенциала при этом ограничено потенциалом разряда метанола в условиях эксперимента.

5. Электроокислнтольноа расщепление бензильной С=С связи в сопряженных арилалкянах. эрил- и аоеночиклоапкенах

Электроокислительное расщепление бензильной двойной углерод-углеродной связи сопряженных арилалкеноо, арил- и ареноциклоапкенов по существу является «one-pot» процессом, включающим реакции вицинапьного диметоксилирования и последующего расщепления бензильной С-С связи, что позволяет в одну экспериментальную операцию синтезировать ацетапи, кетали и кеталь-ацетали ароматических моно- и дикарбонильных соединений из а-арилалкенов простым увеличением количества пропущенного электричества (схема 17):

Схема 17

e Me(j> <рМв e (j)Me Cj)Me

Аг—С=С— -»- Аг—С-С— -Аг—С-ОМе + МеО—С—

] I МеОН | I МеОН | ]

Наиболее эффективно обе стадии проходят в условиях реакции расщепления бензильной С-С связи в а,р-диметоксизамещенных фенилалканах и фенилциклоалканах: графитовый анод, фоновый электролит - BU4NBF4 или KF, 60 °С. В результате гидролиза образующихся продуктов легко могут быть получены бенэальдегиды, ароматические кетоны, арилалифатические 1,5-, 1,6- и 1,7-дикарбонильные соединения и их моноацетали.

5.1. Синтез ароматических ачеталей. кеталей и кетаяьаиеталей моно- и дикарбонильных соединений. Установлено, что электролиз сопряженных арилалкенов, арил- и ареноциклоалкенов в указанных выше оптимальных условиях вызывает электроокислительное расщепление С=С связи этих субстратов и их превращение в ацетали, кетапи и кеталь-ацетали моно- и дикарбонильных соединений, которые были получены с выходами 54-В9% из арилалкенов и 6076% из арилциклоалкенов и бензоциклоалкенов (табл. 9).

Ennao UU«l/ljJí Duvnn пинатмпвиотппп ftnU-inm ПЛП1ПЛ /OTF1 ил--—-

Wilww [1.UÍ..I.I ^Ы ¡ ГН^ШН-

стильбена (8) (44%) объясняется конкурентно протекающей электроокислительной перегруппировкой этого субстрата в диметилацеталь дифенилацетальдегида (раздел 3).

Разработанный метод получения ацеталей, кеталей и кеталь-ацеталей представляет существенный интерес для тонкого органического синтеза, так как позволяет получать карбонильные соединения с ацетальной и катальной защитой непосредственно из легкодоступных арилалкенов, фенил- и бензоциклоалкенов, минуя стадии получения альдегидов и их ацетализации. Важно, что диацетапи и кеталь-ацетали линейного строения, как было отмечено в разделе 4, не могут быть получены ацетализацией дикарбонильных соединений в тех случаях, когда возможна циклизация с образованием замещенных пиранов.

Таблица 9. Синтез ароматических ацеталей и кеталей электроокислительным расщеплением С=С связи сопряженных арилалкенов, фенилциклоапкенов и бенэоциклоалкенов а>

Субстрат Q, F/мол Продукт Выход, %6)

R=H 7а R=Me 7b R=Ph 8 8 6 6 OMe PIT^OMe 67 (34) 61 (41) 44(29)

R1 R1=Me, R2=H 9a 6 54 (36)

Ph-

R1=Me, R2=Et 9b 6 R1=Ph, R2=H 9c 8

Ph*"

OMe

57 (38) 78 (39)

R=Me R=OMe

10a 10b

4

4

-£H

OMe OMe

84 (84) 70 (70)

CHP

n=1 12a 6 Meo OMe 9Me 62(41) n=2 12b 6 Ph^HT^^OMe 58 (39) n=3 12c 6 76(51)

n=1 n=2

13a 13b

75(50) 61 (41)

a> 15 ммоль субстрата, 15 ммаль Bu^NBF* в 30 мл сухого МеОН, анод-графит, катод-нержавеющая сталь, плотность тока 100 мА/см2, 60 °С. 6) Выход по веществу (по току) на взятый в реакцию субстрат.

5.2. Синтез пнисоаого альдегида и других бензальлегидов из а-ррилппкеноп. Разработанный общий способ электроокислительного расщепления С=С связи а-арилалкенов в сочетании с гидролизом получаемых продуктов использован нами для получения различных по строению бензальдегидов, в том числе анисового альдегида (4) (схема 18):

Схема 18

НзО+

-С(ОМе)2 -»-Mei

О—СНО

70-90%

10Ь 3 4

Лучшими фоновыми электролитами в этом процессе являются ВидЫВРд,

СРэСООЫа и ТвОК. Для достижения высокого выхода ацетапя 3 (90%)

применялось постепенное добавление исходного субстрата в электролизер за время пропускания 1 Р/моль; при начальной концентрации субстрата 0.5 М выход 3 снижается на 19%, а при 0.7 М - на 30%. В оптимальных условиях альдегид 4 получен с препаративным выходом 80% в расчете на взятый в реакцию 10Ь.

Данный метод существенно расширяет сырьевую базу для получения альдегида 4 в сравнении с методом его синтеза из 4-метокситолуола (раздел 1), поскольку используемый в качестве субстрата 4-пропениланизол (анетол) является основным компонентом легко доступных анисового и фенхельного эфирных масел, выделяемых из растительного сырья.

Разработанные нами методы синтеза анисового альдегида в сравнении с альтернативными химическими способами его получения (например, окислением анетола хромовой смесью, которое использовалось до недавнего времени на Калужском химкомбинате) являются более экологически безопасными и менее ресурсозатратными процессами и имеют реальную перспективу для практического использования.

5.3. Синтез бензальдегидов электроокислением гг-арилалкеноо в водно-спиртовых растворах. На примере электролиза 4-пропенилбензола (7Ь) и 4-пропениланизола (10Ь) в водных метаноле и этаноле с [Н20]о = 2.8-11.2 М (520% по объему) показано, что электроокислительное расщепление С=С связи в субстрате 10Ь приводит непосредственно к альдегиду 4 (выход 50%), а из 7Ь в аналогичных условиях образуется смесь бензальдегида и его ацеталей (схема 19):

Схема 19

I + РИСНО РЬ^ОЙ 27

- 9"«°») -в

(ЮН-Н20* Ьг^ пон-н2о ОН (ОН)

7Ь Дг=рн -4-МеОС6Н4СНО

10Ь Аг=4-МеОСбНд «=Ме, Е1 4

Этот результат объясняется значительным различием в скоростях гидролиза ацеталей бензальдегида (27) и 4-метоксибенэальдегида (3): в водном метаноле с [Н20]о = 5.6 М при 55 °С гидролиз ацеталя 3 происходит в 3 раза быстрее, чем ацеталя 27, вследствие чего последний присутствует в электролите даже при [НгО]о = 11.2 М.

Таким образом, непосредственное получение анисового альдегида (4) электроокислением 4-пропенилбензола (10Ь) в водно-спиртовых растворах (выход 50%) существенно уступает по селективности синтезу 4 через ацеталь 3 (выход 80%, раздел 5.2).

5.4. Синтез_зрилалифдтическнх_1Г5*. 1.6- и 1.7-дикзрбонильных

соединений и их моноанетаяей. На основе электроокислительного расщепления С=С связи в 5-7-членных сопряженных фенилциклоапкенах 12а-с и бензоциклоапкенах 13а,Ь нами разработан новый подход к арилалифатическим 1,5-, 1,6- и 1,7-дикарбонильным соединениям и их моноацеталям (схема 20):

Схема 20

а

МеОН РЬ"

12а-с

МеО ОМе 9Ме _

29а-с

а п=1; Ь п=2; с п=3

ЛнГ^-^о

37а-с

Л^т

ЗЗа-с

\

13а, Ь

|-в, МеОН МеО. .ОМе Ме <п ^ОМе

39

ЭОа,Ь

а п=1; Ь п=2

®Х»

40

п=2

ь ®

41

ОМе

+ 40

ОМе

Реагенты и условия: а. 10%-ная Нг504, 50 "С, 2 ч; Ь. 10%-ная Н2504, 20 "С, 20 мин.

со-Бенэоилалканали 37 и их моноацетали 38 синтезированы с выходом 5372%, а 2-(со-оксоалкил)бензапьдегиды 39,40 и моноацетапь 41 - с выходом 53-65 и 40% соответственно в расчете на взятые в реакцию субстраты 12 и 13. Полученные соединения являются перспективными синтонами в синтезе карбо- и гетероциклов с 5-7 атомами углерода в цикле. Альтернативные методы синтеза подобных дикарбонильных соединений основаны на озонолизе 12 и 13 или

-в

окислительном расщеплении эпоксидов действием пиридинийхлорхромата. Разработанный нами метод существенно расширяет возможности синтеза арилалифатических 1,5-, 1,6- и 1,7-дикарбонильных соединений, более прост в сравнении с альтернативными химическими методами и сопоставим с ними по эффективности.

Вывопы

1. Проведено систематическое исследование электрохимических реакций бензильного метоксилирования арилалканов и расщепления бензильных одинарных и двойных углерод-углеродных связей арилалканов, арил- и ареноциклоалканов, сопряженных арилалкенов, фенил- и ареноциклоалкенов в условиях прямого анодного окисления в спиртах. Установлены основные закономерности этих процессов и характер влияния на их эффективность строения субстрата, материала электродов, природы электролита и других условий эксперимента; открыты новые пути электросинтеза функциональнозамещенных аренов и арилалканов.

2. Сопряженные арилапкены, фенил- и ареноциклоалкены при электрохимическом расщеплении двойной углерод-углеродной связи образуют продукты а,р-диалкоксилирования или ацетали карбонильных соединений. Разработан метод электрохимического диметоксилирования двойной связи линейных и циклических а-арилалкенов и аценафтилена. Осуществлена реакция раскрытия цикла фенилциклоалкенов и ареноциклоалкенов в условиях прямого анодного окисления, приводящая к ацеталям дикарбонильных соединений.

3. Реакция электрохимического расщепления бензильной одинарной углерод-углеродной связи наиболее эффективно протекает при наличии метоксильной или гидроксильной группы у каждого из атомов, образующих эту связь.

4. Обнаружена электроокислительная перегруппировка транс-стильбена в ацетали дифенилацетапьдегида.

5. Аценафтилен и аценафтены в результате анодного окисления в метаноле претерпевают электрохимическое расщепление их С)-С2 л- и о-связей с превращением в бис-диметилацеталь и циклический диметилацеталь 1,8-нафталиндиальдегида и 1,1.3-триметокси-1Н,ЗН-нафто[1,в-сс1]пиран.

6. На основе реакции электроокислительного расщепления фенил- и бензоциклоалкенов созданы новые методы синтеза ш-бензоилалканалей и 2-(т-оксоалкил)бензальдегидов, содержащих карбонильные группы в 1,5-, 1,6- и 1,7-положениях, а также их моно- и диацеталей и кеталь-ацеталей - ключевых интермедиатов в синтезе 5-7-членных карбо- и гетероциклов.

7. Разработаны легко технологически адаптируемые способы получения анисового альдегида - ценного душистого вещества, применяемого в пищевой и парфюмерной промышленности и многоцелевого полупродукта органического синзеза, основанные на электрохимическом окислении 4-пропениланизола и 4-метокситолуола.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Огибин Ю. Н., Соколов А., Б., Иловайский А. И., Элинсон М. Н., Никишин Г. И. Электрохимическое расщепление двойной связи 1-алкениларенов. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1991, 644.

2. Огибин Ю. Н., Иловайский А. И., Никишин Г. И. Электроокисление алкен-1-иларенов в водно-спиртовых растворах. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1991, 2356.

3. Огибин Ю. Н., Иловайский А, И., Никишин Г. И. Электрохимическое расщепление бензильной С-С связи арилалифатических соединений. // Изв. АН. Сер. хим. 1993, 140.

4. Огибин Ю. Н., Иловайский А. И., Никишин Г. И. Влияние условий электролиза на окисление стирола в метаноле. // Изв. АН. Сер. хим. 1994, 1624.

5. Огибин Ю. Н., Иловайский А. И., Меркулова В. М., Никишин Г. И. Прямое анодное окисление пара-метокситолуола в метаноле. Влияние условий электролиза. // Изв. АН. Сер. хим. 1995, 524.

6. Огибин Ю. Н., Иловайский А. И., Никишин Г. И. Новый подход к арилалифатическим 1,5-, 1,6- и 1,7-дикарбонильным соединениям и их моноацетапям, основанный на прямом анодном окислении 1-фенил- и бензо[с]циклоалкенов. Ц Изв. АН. Сер. хим. 1996, 2044.

7. Ogibin Yu. N., Ilovaisky A. I., Nikishin G. I. Electrochemical Cleavage of Double Bonds in Conjugated Cycloalkenyl- and 1,2-Alkenobenzenes // J. Org. Chem. 1996, 61, 3256.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

Огибин Ю. Н., Иловайский А. И., Никишин Г. И. Перегруппировка транс-

стильбена в ацетапи дифенилацетапьдегида, индуцированная прямым

анодным окислением. //Изв. АН. Сер. хим. 1997, 2202.

Ogibln Yu. N.. tlovaisky A. I., Nikishin G. I. Electrooxidative cleavage of С,-С2

bonds in acenaphthylene and acenaphthenes. // Electrochim. Acta 1997, 42,

1933.

Огибин Ю. H., Иловайский А. И., Никишин Г. И. Электрохимическое расщепление связи С=С 1-алкениларенов. // Тез. докл. XII Всес. совещания по электрохимии органических соединений. Москва-Караганда, 1990, с. 50. Иловайский А. И., Огибин Ю. Н., Никишин Г. И. Электросинтез и анодное окисление 1-арил-1,2-диметоксизамещенных алканов, циклоалканов и их аналогов. // Тез. докл. XIII Всес. совещания по электрохимии органических соединений. Тамбов, 1994, с. 87.

Иловайский А. И., Огибин Ю. Н., Меркулова В. М., Никишин Г. И. Прямое анодное окисление п-метокситолуола в метаноле. // Тез. докл. XIII Всес. совещания по электрохимии органических соединений. Тамбов, 1994, с. 89. Ogibin Yu. N„ llovaisky A. I., Nikishin G. I. Electrochemical Double Bond Cleavage in Phenyl and Phenylene Cycloalkenes. Convenient Synthesis of Acetal and Ketal Derivatives of o-Benzoyl- and m-(2-formylphenyl)alkanals. // Book of Abstr. 9th Europ. Conf. on Organic Electrochemistry. Madrid, Spain 1995, p. 36. Ogibin Yu. K!., llovaisky A. I., Nikishin G. I. Electrooxidative Rearrangement of Stylbenes into Diarylacetaldehyde Dimethyl Acetals. // Book of Abstr. 9W Europ. Conf. on Organic Electrochemistry. Madrid, Spain 1995, p. 37. Ogibin Yu. N., llovaisky A. I., Nikishin G. I. Electrochemical cleavage of benzylic single and double bonds. // Book of Abstr. 3rd International Symposium on Electroorganic Synthesis. Kurashiki, Japan 1997, p. 41. Никишин Г. И., Элинсон М. Н., Огибин Ю. Н., Федукович С. К., Иловайский А. И. Новые методы электроорганического синтеза. // XVI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Тезисы пленарных докладов: М. 1998, с. 226.