Новый реагент - иод, нитраты щелочных металлов для иоднитрования алкинов, нитрования алкенов и иодирования аренов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ
|
Передерина, Ирина Александровна
АВТОР
|
||||
|
кандидата химических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Томск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
02.00.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
и од
1 Ас п 18
На правах рукописи
Передерина Ирина Александровна
НОВЫЙ РЕАГЕНТ - ИОД, НИТРАТЫ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ ИОДНИТРОВАНИЯ АЛКИНОВ, НИТРОВАНИЯ АЛКЕНОВ И ИОДИРОВАНИЯ
АРЕНОВ. (02.00.03 - органическая химия)
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
Томск-1998
Работа выполнялась на кафедре органической химии и технологии органического синтеза Томского политехнического университета.
Научные руководители:
доктор химических наук, профессор Филимонов В.Д. кандидат химических наук, доцент Юсубов М.С.
Официальные оппоненты:
доктор химических наук, профессор Новиков А.Н. кандидат химических наук, с.н.с. Огородников В.Д.
Ведущая организация :
Томский государственный университет
Защита состоится « #>> /// 1998 г. в час. на заседании диссертационного совета К 063.80.07 при Томском политехническом университете по адресу : 634004, г.Томск, пр. Ленина 40, ХТФ, ТПУ, ауд. № /ЧХА
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Томского политехнического университета / г.Томск, ул.Белинского, 56/.
Автореферат разослан « //» У/ 1998 ]
Ученый секретарь диссертационного совета р
кандидат химических наук О^ ¿7 Е.А.Краснокутская
7
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Иодарены, иоднитроалкены, иоднитроалканы и нитроалкены, иод- и нитропроизводные кетонов представляют самостоятельный интерес как фармацевтические препараты, инсектофунгициды, гербициды, дефолианты и красители, а в связи с высокой химической активностью являются ценными синтетическими интермедиатами для получения полинитросоединений, аминов, тиоамннов, нитро- и аминосульфокислот, у-аминокислот, гетероциклов и др. В настоящее время предложены разные способы получения иод- и нитропроизводных непредельных и ароматических углеводородов, но они, как правило, требуют работы с малодоступными, ядовитыми, дорогими реагентами. Известные методы не обеспечивают высоких выходов, часто многостадийны. В связи с этим поиск удобных, экономичных и экологичных реагентов для синтеза иодаренов, иоднитроалкенов, иоднитроалканов, нитроалкенов является актуальным для органического синтеза. Кроме того, пока не решены многие вопросы, относящиеся к выяснению природы промежуточных частиц в реакциях с использованием иода и азотсодержащих окислителей, поэтому необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования этих реакций и реагентов.
Диссертация выполнена по программам Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ № 96-03-33054 «Новые реакции и реагенты органического синтеза») и Science and Technology Policy Institute and Korea Science and Engineering Foundation (STEPI), по госбюджетной тематике Томского политехнического университета (тема 5.103) и в рамках Всесоюзной программы «Реактив».
Цели работы:
1) Создание новых реагентов и методов иоднитрования непредельных соединений и иодирования аренов и гегтероциклов.
2) Изучение механизмов реакций иода и нитратов щелочных металлов с ароматическими и непредельными углеводородами в уксусной кислоте.
Научная новизна: Открыта реакция иоднитрования алкинов и нитрования алкенов действием иода (или иодидов) в присутствии нитратов щелочных металлов в уксусной кислоте. Предложена и теоретически и экспериментально подтверждена схема механизмов иоднитрования алкинов и иодирования аренов, включающая окислительно-восстановительные процессы между иодом (или иодидом) и нитрат-
анионом с образованием нитрилиодида N02f. Впервые детально изучены спектральные характеристики а-иод-р-нитроалкенов.
Практическая значимость: Разработан и предложен для использования в органическом синтезе простой, удобный, малотоксичный, взрывобезопасный реагент 12(Г)/>ТОз" в уксусной кислоте для реакций иодирования активированных аренов, иоднитрования алкинов и одностадийного нитрования алкенов, как продуктов, представляющих общий интерес для органического синтеза, химико-фармацевтической, анилино-красочной и других отраслей промышленности.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены докладами на следующих конференциях: Девятая Всероссийская конференция по химическим реактивам «Реактив - 96». Уфа-Краснодар. 1996, Первая научно-техническая конференция «Фарберовские чтения - 96». Ярославль. 1996, The Second Russian-Korean International Symposium on science and technology. Tomsk. 1998.
Публикации. По материалам диссертации опубликована 1 статья и 3 тезиса докладов.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 104 страницах машинописного текста, включает 13 таблиц, 9 рисунков и список литературы из 71 наименования. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. В главе 1 приведен литературный обзор реакций окислительного иодирования аренов, нитрования и нитрогалогенирования непредельных углеводородов и кетонов. В главах 2,3,4,5 обсуждаются результаты собственных исследований автора: гл.2 посвящена изучению реакций иодирования активированных аренов и некоторых гетероциклов системой VNC^AcOH. В гл. 3 рассмотрены реакции иоднитрования алкинов действием 12(Г)/НОз" в уксусной кислоте, здесь же обсуждается роль кислорода в реакциях иоднитрования. Гл.4 посвящена взаимодействию алкенов и кетонов с иодом и нитратами s-металлов в уксусной кислоте. В гл.5 представлены теоретические расчеты и экспериментальное доказательство образования N02 в реакции иода с нитратами в уксусной кислоте в присутствии субстрата и его отсутствии.
Содержание работы
1.Иодирование активированных аренов и некоторых гетероциклов системой Ь/РЮз" в уксусной кислоте.
1.1. Синтез иодаренов и иодкарбозолов действием Ь и N03" в уксусной кислоте.
Мы впервые показали, что 12 в присутствии менее, чем эквимолярных количеств нитратов натрия, калия или кальция в уксусной кислоте в атмосфере тщательно очищенного от кислорода аргона легко иодирует активированные арены 1-10 в мягких условиях с высокими выходами при соотношении ArH-.I2.NO3" = 1:0.55-^1.1:0.1^2.0 (табл.1).
1-7 И-16
К:=Я2=Я4=Я5=Н, Я3=ОМе (1,11), Я'=Я2=Я4=К.5=СН3, (2,12), Я'=Я3=Я!=СН,, Я2-=Я4=Н (3,13),
я^а^сн,, я2=я"=я'=н (4,14), я'=я2=я4=яМ!, я3-сн3 (5,15), я'=а2=я'=к5=н; к3=ш2 (б,16),
К!=Я2=--Я4=Я5=Н, Я3=ШОАс (7,17).
Н-Аг-Н 1-Аг-Г
АсОН, Аг 8-10 18-20
8,18
С№-РЬ 10 ДО
Таблица Т. Результаты иодирования соединений 1-10 системой Ь-Рч'Оз" в уксусной кислоте в атмосфере аргона
№ Нитрат Колич. Тем- Время, Вы- № про- Т.пл,°С Лит.
субст Нитра- пера- ч ход, % дукта т.пл.Х
-рата та,ммоль тура, °С
1 КаШ3 0.4 85 6 92 11 49-50 48-49
1 НаЖЪ 0.2 85 4 92" 11 49-50 48-49
1 ЮЧОз 0.4 85 6 90 11 49-50 48-49
1 Са(1ЧОз)2- 0.2 85 6 92 11 49-50 48-49
4Н20
1 СаСШзУ 4Н20 0.2 60 7 986 11 49-49.5 48-49
1 - 0 85 6 0 11 49-50 48-49
2 МаЫОз 0.4 116 6 65 12 77-79 78-79
3 №Ж)з 0.4 116 4 81 13 28-30 30
4 Са(Шз)2' 4Н30 0.4 116 2 90 14 масло -
5 Са(1ЧОз)2 4Н20 1.0 116 2.5 61 15" масло -
6 СаОЧОзЪ' 4Н20 0.2 65 30 37 17 182-184 186-187
7 Са(Шз)2' 4Н20 0.2 105 24 47г 17 - -
8 ЫаШз 0.8 85 21 70 18 140-142 141-142
9 ИаЖ)з 0.2 30 21 87 19 186-187 181-182
10 NaNOз 0.2 30 10 88 20 174-175 -
Примечание. "Барбогировали кислород через реакционную массу. "Реакцию вели в атмосфере воздуха. 'Соотношение орто:пара изомеров равно 39:61. 'Определено по данным ГХ.
1.2 Изучение роли кислорода и определение минимально необходимого количества КОз' в реакции иодирования аренов.
Т.к. проблема использования кислорода для каталитического осуществления реакций с участием азотсодержащих окислителей привлекает в последнее время все большее внимание исследователей и прямо связана с вопросом о механизме процессов, протекающих в таких системах, мы показали (рис. 1, табл.1), что при иодировании анизола 1 0.55 экв. иода системой Ь-ИОз в уксусной кислоте в присутствии кислорода уже 0.2 экв. КОз" обеспечивают почти полную конверсию субстрата до иоданизола 11. В тех же условиях проведение реакции в атмосфере тщательно очищенного от кислорода пропусканием через раствор пирогаллола аргона дает только 60% продукта 11, что непосредственно указывает на роль кислорода как дополнительного окислителя.
Рис. 1 Зависимость выхода 4-иодзнизола от количества N0/ в присутствии и отсутствии 0:.
О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Время (ч)
Таким образом, для количественного иодирования 1.0 экв. анизола 1 до продукта 11 требуется не более 0.4 экв. нитрата, что подтверждается остальными экспериментами и отвечает следующему брутго-превращению :
Шз" + 4Н* + 1.512 ЗГ + N0 + 2Н20
которое, в свою очередь, может реализоваться, например, через ряд окислительно- восстановительных реакций. Схема 1:
2Н+ + Шз" + НгО (1)
N02+ + 12 =5=^=1 + + IN02 (2)
ШО: ===5= 1+ + N02" (3)
N02" + 2Н+ +0.51г 1+ + N0 + Н20 (4)
Благоприятному сдвигу равновесия реакции (1) способствует то, что сила азотной кислоты в уксусной кислоте сильно падает. Конечно, следует учитывать, что написание в схеме 1 1+ как электрофильной иодирующей частицы есть некая условность, т.к. полагают, что его существование как кинетически независимой частицы возможно только в сильно кислотных средах, но образование ГГч'СЬ в смесях 12-КОз" или К1-Ж)з" в АсОН независимо подтверждается результатами реакции с алкинами (см.гл.2).
Найденное минимальное соотношение КОз :АгН соблюдалось и при иодировании соединений 2,3,8. При иодировании эфира 8 эквивалентным количеством иода иоддифениловый эфир не удалось получить с удовлетворительным выходом. И только с использованием соотношения 8:12 =3:1.1 с выходом 70% был получен 4,4!-дииодцифениловый эфир 18. В случае дурола 2 препаративный выход иоддурола 12 составлял 65%; наряду с моноиодидом в реакционной массе по данным хромато-масс-спектромегрии присутствовали дииодид, нитродурол, окгаметилдифенил и продукты окисления. Иодирование менее активных алкилбензолов 4,5 проводили в кипящей уксусной кислоте с использованием 0.8 экв. и 2.0 экв. нитрата соответственно.
Анилин б иодировался с осмолением и образованием 4-иодацетанилид&17 с выходом 37%. В то же время при иодировании ацетаншшда 7, соединение 17 не удалось отделить от субстрата и его количество (47%) в смеси было определено с помощью ГХ. Фенол 21 под действием Ь-ИОз" при комнатной температуре только нитруется, давая смесь орто- и пара- нитрофенолов (данные ГХ). Хлорбензол 22 оказался инертным. Производные карбазола при иодировании данной системой требуют еще меньшего ко-
личества нитрата, чем ароматические соединения. Так, соединения 9,10 гладко иодировались до 3,6-дииодпроизводных 19,20 с препаративными выходами 87-88% при 30°С и использовании всего 0.2 экв. нитрата. Таким образом, 0.1 экв. нитрата промоти-рует дииодирование почти 1.0 экв. производного карбазола. Причина данного отличия карбазолов 9,10, возможно, заключается в их повышенной л-избьпочности . Это обстоятельство делает их склонными к образованию катион-радикалов под действием 12 и, и может приводить к иодированию через одноэлектронный перенос. Механизм действия пары Ь - КОз" достаточно сложен и требует специального изучения, поскольку действие одного иода на карбазолы 9,10 в уксусной кислоте не приводит к иодированию субстратов. С практической точки зрения этот способ иодирования соединений 9,10 существенно превосходит метод иодирования карбазолов известными реагентами К1-КЮз и К1-КЮ4 дешевизной, удобством и высокими выходами иодпроизводных,
Мы не обнаружили существенных отличий в результатах иодирования изученных субстратов при замене N¿N03 на нитраты калия и кальция (табл.1).
Таким образом, предлагаемая иодирующая система - Ь-МОз" в уксусной кислоте позволяет в мягких условиях иодировать активированные ароматические субстраты с высоким выходом. Конечно, в препаративном варианте иодирование данным реагентом проще проводить в атмосфере воздуха, что позволяет снизить необходимые количества нитратов (табл. I). Помимо этого, данная система выгодно отличается от ранее известных тем, что нет необходимости использования СБзСООН и её ангидрида, а также высокой п-селективностью иодирования анизола 1 и отсутствием заметных количеств нитроаренов в продуктах реакции.
2. Изучение реакции иоднитрования алкинов действием 1г (Г)/ N0]" в АсОН.
2.1 Действие I г(1 ")/КОз' в АсОН на терминальные и интернальные алкины с образованием 1-иод-2-нитроалкснов.
Мы впервые показали, что алкины 23-27 под действием Ъ или К1 в присутствии нитратов натрия, калия или кальция при нагревании в уксусной кислоте региоселек-тивно образуют иоднитроапкены 28-33 (табл. П). Кроме того, в реакционной массе обнаруживаются дииодалкены 28-38, ацетоксииодалкены 39-42 и продукты превращений последних соединений, соотношение которых зависит как от структуры субстратов, так и условий реакции (табл. III-VI):
_ ^огКр/КО^ К _ / К_ /К* С>Лс_ Ж1
Я тЯОг к 1 к 1
23-27 28-33 34-38 39-42-
Я'=Н(23,28,34,39); Ь=Й,=РЬ(24,29>35,40); Е=РИ, 114ме(25,30,3б,41); К=Я'=Рг(26,31,37,42); И=Р11, а'=СН2ОН(27,38); К=РЬ, Я'=СН2ОАс (33)
Таблица П.Результаты иоднитроваиия 1 ммоля алкинов 23,24,25,26,27 при 85°С
№ соедине- Ь, ммоль К1, №ТЧОз, Время, ч № продук- Выход,% (Ш)
ния ммоль ммоль та
23 0.75 - 2.0 1.0 28 51(86:14)'
23 0.75 - 1.06 1.0 28 51(86:14)"
23 - 1.5 3.0 4.0 28 67(83:17)'
24 0.75 - 2.0 5.5 29 70(80:20)'
24 - 1.5 3.0 5.5 29 72(73:27)"
25 0.75 . 2.0 1.5 30 51(88:12)*
25 - 1.5 3.0 4.0 30 64(88:12)'
26 0.75 - 2.0 2.0 31 13(67:33)'
26 - 1.5 3.0 4.0 31 12(67:13 )г
27 0.75 - 2.0 24.0 32 22(72:28)'
33 13(72:28)'
Примечание. " Соотношение определено на основания данных спектров ПМР. 6 Использовали
СаОЮз^НЛЭ.' Изомеры разделены перекристаллизацией из гексана.г Изомеры разделены с помощью колоночной хроматографии ка сшшкагеле элкжрованием гексаном.
До наших исследований был известен только один реагент прямой препаративной трансформации алкинов в иоднитроалкены - Ь-^ЬС^ в осушенном эфире в атмосфере азота. Ясно, что найденный нами реагент более удобен и лишен очевидных недостатков ядовитого, легколетучего и чувствительного к влаге N204.
2,2 Исследование влияния природы и соотношения реагентов в ходе превращений алкинов в иоднитроалкены.
На примере фенилацетилена 23 изучено влияние природы нитратов, температуры и соотношения реагентов на выходы целевого 1-иод-2-нитро-1-фенилэтена 28 и побочного 34 продуктов реакции (табл. Ш). При 45°С с МаМ03 основным продуктом был дииодстирол 34 (40%). Напротив, в случае Са(МОз)2'4НгО выход соединения 28 составил 44%, а дииодида 34 всего 6%. Причина столь существенного влияния природы нитрата состоит в лучшей растворимости Са(Ж)з)г'4Н20 по сравнению с ИаЖЬ.
Таблица Ш. Условия и выход продуктов реакции 1 ммоль фенилацетилеиа 23 с 12-ГО3.
№ п/п 12, ммоль N¿N03, ммоль Са(Ш3)24Н20, ммоль н2о, мл Температура, °С Время, ч Выход,% т-28 34
1 0.75 2.0 - - 45 4.5 29 40
2 0.51 - 0.51 - 45 4.5 34 25
3 0.75 - 0.75 - 45 4.5 41 12
4 0.75 - 1.0 - 45 2.5 44 6
5 0.75 - 1.0 0.5 45 2.5 37 8
6 0.75 - 1.0 - 85 1.0 51 1.5
7 0.75 1.0 - - 85 1.0 27 12
8 0.75 1.5 - - 85 1.0 45 7.0
9 0.75 2.0 - - 85 1.0 51 5
10 0.75 4.0 - - 85 1.0 56 2.0
И 0.75 5.0 - - 85 1.0 51 2.0
12 0.5 2.0 - - 85 1.0 48 2.0
13 1.0 - - - 85 7.0 - 90
Толан 24 отличается от алкинов 23 и 25 меньшей активностью как в реакции
иодонитрования, так и иодирования; во многих случаях он оставался в реакционной массе в количествах до 15%. Основным продуктом является смесь Е!2-иоднитростильбенов 29 и ацетоксииодстильбен 40, который частично превращался в бензил (табл. IV). Дииодстильбен 35 обнаруживается только в следовых количествах (-2%). Выход Е /г-иоднитростильбена 29 при соотношении 24 :12, равном 1:0.5, практически не зависит от количества нитрата натрия и составляет 56*57%. При увеличении же количества иода до 0.75 эквивалента к соединению 24 выход иоднитростильбе-на 29 зависит от количества нитрата и его максимальный выход 70% достигается при использовании двухкратного избытка нитрата (табл IV).
Таблица ГУ.Условия и выходы продуктов реакции толака 24 с системой Ь-КаГЮз в уксусной кислоте при 85°С
Ха I:, ИаМОз, Время, Выход, %
п/п ммоль ммоль ч ЕЛ 9 г-29 £-40 бензил
1 0.5 1.0 5.5 43 13 10 5
2 0.5 1.5 2.5 44.5 12 10 14
3 0.5 2.0 2.5 45 12 12 7
4 0.75 1.0 7.0 49 11 9 11
5 0.75 2.0 5.5 56 14 11 10
6 0.75 2.5 5.5 56* 3.0 12 4
Примечание. "Выделен 1,2-диюд-1,2-дифенилэтен 35 в количестве 2%.
Метилфешшацетялен 25 ведет себя сходно с фенилацетиленом 23 (табл.У), давая неразделимую смесь £/£-изомеров иоднитрофенилпропена 30, ¿'-изомеры дииод-фенилпропена 36 и ацетоксииодид 41, который частично превращается в 1-фенилпропандион 44 и бензойную кислоту .
Таблица У.Условня и выход продуктов реакции метилфенилацетилена 25 с системой Ь-РЮз в уксусной кислоте.
№ п/п Ь, ммоль ЫаЫОэ, ммоль Са(Ж>3)24Н20, ммоль Температура, °С Время, ч Выход, %
£/2-30 36 41 44
1 0.5 1.5 - 85 2.5 48 8 17 8
2 0.75 2.0 - 85 1.5 51 - 16 12
3 0.75 - 1.0 45 5.0 40 1.5 23 20
4 0.75 2.0 - 45 5.0 40 12 14 2
Октин 26 показал в реакции с 1г-№>ГОз при полной конверсии наименьшую селективность - образуется сложная смесь продуктов, из которой препаративно выделены 4-иод-5-нитрооктен-4 31 (13%); 4,5-дииодоктин-4 37 (3%), £-4-ацетокси-5-иодо-4-октен 42 (14%); кроме того, в реакционной массе зафиксированы бутановая кислота , 4,5-октандион 45, 5-иод-4-октанон 46 (хромато-масс-спектрометрия).
Как видно из табл. П при замене 12 на К1 препаративный выход иоднитроалкенов 28-30 повышается и особенно существенно для алкинов 23 и 25 с 5.1% до 64-71%. Только в случае октина 26 выход соединения 31 практически остался неизменным. В то же время, продолжительность реакции с К1 возрастает. В этом случае имеет место индукционный период (примерно 1.5 часа). Вероятно, в этот период происходит окисление Г до и в реакционной массе в случае алкинов 23,25,26 регистрируются методом ТСХ только дииодиды 34,36,37.
В случае 3-фенил-2-пропин-1-ола 27, наряду с главным продуктом 32 препаративно выделяется его ацилированное производное 33 (£>2-3-ацетокси-1-иод-2-нитро-1-фенилпропен), при этом обращает на себя внимание меньшая активность субстрата 27 по сравнению с алкинами 23,24,25,26.
Заметно отличается от других изученных алкинов в реакции с Ь-ЫаЬЮз или К1-ИаЫОз триметилсилилфенилацетилен 47. Собственно продукт иодонитрования тройной связи соединения 47 не образуется. В значительной степени происходит десилили-рование с образованием смеси продуктов 28, 34, 48-50. С помощью ГХ обнаружено,
что уже через 30 мин при 85°С при действии KI-NaN03 на алкин 47 в реакционной массе появляется фенилацетилен 23 (2%), а через 1.5 ч до 4%. В дальнейшем количество фенилацетилена 23 остается постоянным на уровне 1% в течение всего времени реакции. Таким образом иоднитроалкен 28 образуется из фенилацетилена 23
Ph—===- SiMeз '^VNft WN0;2fiA!W<S,M6+ VW' 47 48 49 50
Образование дииоднитроалкена 48 (ранее этот тип соединений известен не был), вероятно, протекает через электрофильное замещение 1+ триметидсилильной группы как в исходном алкине 47, так и в гипотетическом продукте его иоднитрования. Из реакционной массы был также выделен дииодстирол 34 (1.8%), образующийся как и нитроалкен 28 из фенилацетилена.
Известно, что при действии 12 и N2O4 происходит иоднитрование ацетиленов [Stevens Т., 1957]. Считают также, что 12 и N2O4 образуют нитрилиодид, который может распадаться как по гемолитическому, так и гетеролитическому направлениям [Hassner А.,1969]. Мы полагаем, что образование нитрилиодида с участием иода и нитрата протекает по схеме 2:
2Н+ + NCV NG+ + Н20 (1)
N02+ + Ь =¡==1+ + INO2 (2)
Образование дииодидов 34-37 с учетом данных работы [Ambrose J., 1975] может протекать как по свободнорадикальному, так и по электрофильному механизмам, но очень малое количество иодацетоксиалкенов 34-37 свидетельствует о преобладании радикального присоединения. Приведенная схема объясняет индукционный период реакции иоднитрования алкинов 23,24,25,26 действием KI (табл. VI).
2.3 Установление роли кислорода в образовании целевых продуктов.
На реакцию иоднитрования алкинов в присутствии 12 и особенно KI сильное влияние оказывает кислород. В таблице VI показано, что проведение реакции фенилацетилена с 12 в атмосфере аргона заметно снижает выход соединения 28, а в случае KI продукт 28 не образуется вовсе, но наблюдается увеличение выхода диодида 34. Про-
ведение той же реакции при барботирования кислорода обеспечивает преобладание реакции иоднитрования, но с существенным возрастанием выхода диодида до 17%. Реакция фенилацетилена 23 с К1 в присутствии атмосферного кислорода, но в запаянной ампуле объемом 100 мл, заполненной 10 мл реакционного раствора вновь приводит к резкому снижению выхода иоднитроалкена 28 и повышению выхода дииодсгирола 34. Таблица VI. Влияние кислорода на выход соединений 23,29 и 34,35 при реакции 1 ммоль алкинов 23,24 с системами 12 или К1-1ЧОз"
№ Субстрат 12, К1, №Ш3; Время, Условия Выход, %
п/п ммоль ммоль ммоль ч 28 29 34 35
1 23 0.75 - 2.0 " 1.0 воздух 51 - 5.0 -
2 23 0.75 - 2.0 1.0 аргон со - 3.0 -
3 23 - 1.5 3.0 4.0 воздух 67 - 7.0 -
4 23 - 1.5 3.0 4.0 02 61 - 17 -
5 23 - 1.5 3.0 4.0 аргон 0 - 34* -
6 23 - 1.5 3.0 4.0 - И - 41° -
7 24 - 1.5 3.0 5.5 воздух - 72 - 0
8 24 - 1.5 3.0 6.5 аргон - 29 - 3.0"
Примечание. 'Выход по К1 составлял 45%. "Запаянная ампула. "Выделено 0.22 ммоль исходногоалхина 24.
2,4 Предполагаемая схема иоднитрования, включающая образование ЬРТОг.
Роль кислорода при использовании К1 в дополнении к схеме 2 хорошо объясняется схемой 3 (на примере соединения 23).Схема 3:
21- + МОз- + 4Н+ =5== 12 + N0 + 2Н20 (1) 2№Э + Ог =^2К02 (2)
2ЫОг + Ъ "^ШОа (3)
«Г + N0^ то2< (4)
^ 1+ + N02"
_ 1 11 •> 1 1
РЬ ~ Н + N0^
И»'
/Н
РЬ-
-Н + Г
АсОН
гад Ц.—/
РИ %
Действительно, в атмосфере аргона отсутствует стадия окисления N0, который удаляется из сферы реакции, а образовавшийся иод дает дииодсгирол 34, тем самым снижая действующую концентрацию иода и тормозя образование нитрилиодида по реакции 2 (схема 2). Частичный унос N0 с током кислорода из реакционной массы также может быть основной причиной снижения выхода продукта 28 при барботировании
кислородом. В изолированной от атмосферы системе в стадии окисления N0 (реакция 2, схема 3) участвует только растворенный в реакционной массе кислород, количества которого недостаточны для полного превращения N0 в ЖЬ. Поэтому реакция диоди-рования пребладает над иоднитрованием (табл. VI). В случае же малоактивного к иодированию толана 24 скорость его иодирования мала и образовавшийся по схеме 2 иод успевает частично превращаться и в шприлиодид по реакции 2 (схема 2). В полном соответствии с этим, толан 24 в атмосфере аргона иоднитруется действием К1, хотя и с меньшим выходом, чем в присутствии кислорода воздуха.
С обсуждаемых позиций становится объяснимым главное отличие условий реакции иоднитрования алкинов предложенной системой Ь(К1)-1Ч0з'-АсС>Н (кислотная, протогенная среда и необходимость кислорода) от условий иоднитрования действием Ь-ИгС^ (осушенный эфир, инертная атмосфера). Действительно, в последнем случае нет необходимости окислительно-восстановительных процессов, отображенных схемами 2,3.
2.5 Спектральные характеристики продуктов иоднитрования алкинов.
Т.к. в литературе отсутствуют детальные спектральные характеристики 1-иод-2-нитроалкенов, мы изучили спектры ЯМР13С соединений £-28, 2-28, £-29,2-19 и нашли, что сигнал вшшльного углерода, связанного с иодом, в £-изомерах лежит в более слабых полях, чем в 2-изомерах, обратная ситуация имеет место для сигналов ванильных атомов углерода, связанных с нитрогруппой (табл.VII). Также известно, что сигналы вр'-атомов углерода, находящиеся рядом с двойной связью в ^-изомерах алкенов более экранированы, чем в £-изомерах [БПуе^еш К.,1991). Эти данные позволили отнести сигналы в спектрах ЯМР 13С к Е- и 2-изомерам соединений 30-32 (табл. VII).
Таблица VII. Спектральные характеристики иоднитроалкенов 28-33 и 48
Л5 соединение ПК спеетр, V, СМ"1 Спектр ПМР,5,м.д,(СОа3) Спектр ЯМР "С, б, ЫА (СОО,)
£-28 1525,1332 7.36 м (5НIV*), 7.74 с (1Н) 113.9 (1£=д, 127.3,128.5,130.3,138.5 (С.. р»), 142.9 (С=СЫОг)
2-28 1525,1332 7.50 м (5Н 7.67 с (1Н) 110.3 (1С=С), 128.8,129.0,131.2,139.3 (С,. 143.1 (С=СЫСЬ)
Б-29 1520,1354 7.49 м (8Н, Н^, 7.64 м (2Н, Ндрок) 102.7 (1С=С), 127.6,128.7,128.9,129.3, 129.8,130.7,134.3,139.6 154-2 (С=СМОг)
2-29 1525,1354 7.23 м (ЮН, Н^) 94.5 (1С=Ч, 128.5,128.7,128.9,129.3,129.4, 130.0,130.3,139.2 (Счх» ),157.7 (С=СИ02)
Е-30 3525,1348 2.60 с (ЗН СНз), 7.30 м (5Н, Н.^) 24.3 (СНз), 103.6(1С=С), 127.3,123.6,129.4, 140.1 (С«*»), 151.2 (С=(>Ю2)
2-30 1525,1348 2.15 с (ЗН СНз), 7.30 м (5Н, Н,. ром) 18.4 (ОЬ), 914 (1С=С), 128.2,128.8,129.3, 140.0 (С^), 154.1 (С=СЫОг)
£-31 1531,1363 0.90 т (3H, J=7.4Hz), 0.961 (3H, J=7.4Hz), 1.57 м (4H), 2.50 т (2H, J=7.8Hz), 2.76 т (2H, J=7.8Hz), 12.7,13.1,20.2,22.8, 39.2,42.6 (О*,™,), 110.2 (IC=Q, 154.2 (OCNOj)
Z-31 1529,1350 0.93 т pH,J=7.4Hz), 0.94 т (3H, J=7.4Hz), 1.57 н (4H), 2.51 т (2H, J=7.8Hz), 2.55 т (2H, J=7.8Hz), 12.9,13.2,20.8,22.6,32.9,41.5 (С™»0,98.5 (IC=Q, 157.8 (C=£N02)
E-32 1526,1337 3.38 с (1H, OH), 4.89 с <ffl, СНг), гЗмрН.Н.р».) 66.3;СНгОН),105.5 (IC=Q, 126.9,129.6, 129.7,139.5, (Си».), 153.0 (С=СЫОг),
2-32 1526,1337 3.38 с (1H, OH), 4.31 с (2H, CH2), 7.3 м (5Н, И.,»«) 59.3 (СНгОН), 94.8 (I£=Q, 127.9,128.3, 129.9,133.5 (С»р«Д 154-5 (C=£N02)
E-33 1545,1345, 3252 2.06 с (ЗН, CHj), 5.28 с (2Н, СН2), 7.34 м (5Н, -
Z-33 1550,1358, 1765 1.98 с (ЗН, СНз), 4.70 с (2Н, СН2), 7.34м(5Н,Нвди) -
ß/Z-48 1525, 1329 7.25 м (ЗН, HfoJ, 7.32 м (2Н, 94.8,96.5 (IC=Q, 127.2,128.0,128.7,128.9, 130.0,131.1(С„«Д 139.6,142.1 (C=CNOz)
Масс-спектры данного класса соединений практически не изучены. Оказалось, что в масс-спектрах иоднитроалкенов 28-32 интенсивность молекулярных ионов не высока, а в случае соединений Е-29 и Z-29 они вообще отсутствовали. Только иоднит-роалкены.Е-31 и Z-31 имели достаточно интенсивный молекулярные ионы (до 21%). На основании известных данных о масс-спектрах нитросоединений и галогеналкенов можно предположить следующие варианты фрагментации молекулярного иона: [M-I]', [M-i-NO]+, [М-1-Ж>2]+, [М-Г\тОгГ [54,55,56]. Полученные данные указывают на то, что вероятность потери радикала или катиона иода предпочтительна перед потерей N0 или NO2. На схеме 23 приведены вероятные пути фрагментации молекулярных ионов иоднитросоединений через перегруппировку с потерей N0' или RN0. Вероятно, в данном случае имет место ранее неизвестная перегруппировка для нитроалкенов с потерей RN0-, так как наличие интенсивного пика m/z 105 в масс-спектрах иоднитроалкенов 28-30 и 48 простой потерей N0 с ß-атома углерода трудно объяснимо.
R, R4/NO2 Rv_/N02 RV/R'
-NO? RCSCR'
/-NO \
V
0+ 0 N+
\ / О
RCSO+.
R=Ph, Pr, R'=H, Me, CH2OH, Pr, Ph, I.
З.Взаимодействне алкенов и кетонов с 12 (Г) и нитратами в АсОН.
Мы нашли, что при взаимодействии арилалкенов с комбинацией иода, нитратов натрия, калия, кальция или аммония в ледяной уксусной кислоте образуются истинные нитросоединения. Условия реакции очень просты, реагенты доступны, малотоксичны и это является принципиальным преимуществом предложенного метода перед известными. Реакция получения нитроалкенов идет через образование промежуточных вици-нальных иоднитроэтанов. В реакции 12 и ЫОз" со стильбеном в АсОН, в ряде экспериментов, мы смогли препаративно выделить 1-иод-2-нитро-1,2дифенилэтан 51, с выходами 3-5%. В случае стирола продукт присоединения был зафиксирован методами ГХ и ГХ МС (см. ниже). Препаративные выходы нитроолефинов 52,53, как конечных продуктов, составили 18-57% (табл. VIII). Кроме целевых нитроалкенов и промежуточных вицинальных иоднитроэтанов в реакции образуются продукты, содержащие в своей структуре ацетатный остаток.
Л=РЬ(54,56,57), Н(55,58)
3.1 Изучение влияния природы и соотношения реагентов па выход нитро-
стнльбена.
На примере стильбена 54 изучено влияние соотношения реагентов на выход целевого нитроолефина. В таблице УШ показано, что увеличение количества нитрат-аниона в реакционной массе способствует увеличению выхода целевого продукта. Оптимальное количество иода - 0,5 ммоль на 1ммоль субстрата. Добавление в реакционную массу дегидроиодирующего агента 1ЯаО Ас не влияет на эффективнсть нитрования.
При нагревании стальбена 54 с нитратом натрия в уксусной кислоте без иода
образуется сложная, трудноразделимая смесь неустойчивых на силикагеле и окиси алюминия продуктов. Данные ГХ/МС и ИК-спекгров реакционной смеси указывают на наличие в ней ацетатов бензоина и диола : РЬСО-СН(ОАс)РЬ 59 и РЬСН(ОАс)-СН(ОАс)РЬ 60. Следует отметить, что соединения 59 и 60 были обнаружены как примеси и в масс-спектрах реакционной смеси, полученной при действии на стильбен 54 системы 12-Ж>3', АсОН.
18-57% 57,58
54,55
56
Таким образом, мы установили, что участие иода в реакции образования целевого продукта 57 - необходимое условие, т.к. в его отсутствие образуется неразделимая смесь продуктов, и целевой нитростильбен не был выделен в достаточных количествах.
Таблица УШ Результаты нитрования стильбена 54 системой Ь-ЖЬ' при 85°С
№п/п 12, ммоль NaN03 Ca(N03)2-4H20, Время, ч Выход, %
Ммоль ммоль Е- 57 Z- 57
1 0.5 1.0 - 16 - 18
2 0.5 1.5 - 20 - 25
3 0.5 2.0 - 11 - 28
4 1.0 2.0 - 27 - 38
5 0.5 - 0.5 20 19 25
6 0.5 - 2.0 8 22 29
7 0.5 1.5 50 48 19
8* 0.5 1.0 20 - 24
• в реакционную массу добавлен NaOAc
Из данных табл. VIII следует, что в зависимости от природы нитратов и условий реакции меняется не только выход нитростильбена 57, но и соотношение Е- и Z-изомеров. Было установлено, что при нагревании чистого Z-изомера 57 в уксусной кислоте при 85°С, т.е. в условиях синтеза, происходит его частичное превращение в Е-изомер, т.е. имеет место процесс цис-транс- изомеризации. Расчеты теплат образования ДН Е- и Z-изомеров нитростильбена 57 полуэмпирическим квантовохимическим методом AMI показали, что Е-изомер (АН =84,407 ккал/моль), более термодинамически стабилен, чем Z-изомер (ДН=17б,508 ккал/моль). Таким образом, образование Е-изомера в продуктах изучаемой реакции в основном контролируется термодинамическими факторами. В то же время, имеет место и специфическое влияние природы источника нитрат-аниона на распределение изомеров при одной и той же температуре и продолжительности реакции ( при использовании нитрата натрия не зафиксировано образования Е-изомера). Природа этого специфического эффекта пока не ясна.
В реакции стирола 55 с I2-NO3" целевой транс- Р-нитростирол 58 получается с невысокими препаративными выходами, не превышающими 30%. В то же время анализ реакционной смеси, полученной после действия на стирол I2-N03" в течение 120 ч при 30°С, методами ГХ и ГХ/МС показал наличие исходного алкена (27%), Р-юпросгирола 58 (22%) и 1 -иод-2-нитрофенилэтана 61 (51%). Т.е., в отличие от стильбена продукт иоднитрования С=С связи стирола может быть и основным продуктом реакции.
Механизм реакции присоединения элементов иода и ЖЬ к двойной связи остается менее ясным, чем механизм присоединения к алкинам. Обычно иоднитрование
этиленовых углеводородов в подобных реакциях рассматривается как радикальный процесс. В соответствии с этим добавки гидрохинона как радикального ингибитора в реакцию со стильбеном привели к снижению выхода продукта 57 до 18%. Тем не менее, этот аргумент не может однозначно решить вопрос в пользу гемолитического механизма, т.к. коричная и п-нитрокоричная кислоты, а также п-нитростильбен остаются инертными по отношению к действию иода и нитратов в уксусной кислоте. Последнее указывает, скорее, на электрофильный характер реакций иоднитрования алкенов с первоначальной атакой двойной связи нитроний-катионом МСЬ+, образующимся при гете-ролитическом распаде нитрилиодида. Таким образом, результаты реакции иоднитрования алкенов противоречивы, и в целом следует признать, что механизм реакции иода и нитратов с олефинами более сложен, чем с ацетиленами и требуегг дальнейшего углубленного изучения. Несмотря на умеренные выходы продуктов, данный реагент 1:-ЫОз" можно с успехом использовать для одностадийного препаративного получения нитро-алкенов. Кроме того, он доступен, нетоксичен и взрывобезопасен.
3.2 Реакции 12 (I") и нитратов с кетонами в уксусной кислоте.
Мы показали, что в реакции 1г( I~ ) и нитратов с кетонами в уксусной кислоте во всех случаях получаются смеси продуктов. Так, с ацетофеноном 62 основным продуктом является бензойная кислота 63, а также ряд неустойчивых, неидентифицированных продуктов. При использовании в качестве субстрата пропиофенона 64 при 80° удалось выделить а-иодпропиофенон 65, а-ацегоксипропиофенон 66 и бензойную кислоту 63.
Таким образом, в отличие от алкенов и ацетиленов в реакции с кетонами не обнаружены нитропроизводные. Образование продуктов 63, 65, 66 является, несомненно, результатом электрофильной атаки иода на енольные формы кетонов, т.е. в этом отношении кетоны ведут себя сходно не с непредельными соединениями, но с аренами. Образование смесей продуктов пока не позволяет предлагать исследуемую реакцию как препаративно интересный метод.
4. Исследование реакций иода или иодид-аниона с нитратами в уксусной кислоте расчетным и экспериментальным методами.
Исследование реакций иоднитрования кратных связей и иодирования аренов пердяоженкым реагентом показало , что в системе VI", N03" в уксусной кислоте генерируются реакционноспособные частицы электрофильной и радикальной природы: Г, Г,Г*, N02*, N02*, ОАс' и т.п. Дальнейшая трансформация этих частиц зависит от типа субстрата. С аренами и кетонами образуются продукты элекгрофильного иодирования,
с алкинами - свободнорадикального иодиитрования, с алкенами - вероятно, продукты электрофильного присоединения КОг^. Теоретически возможно образование из N0}" в результате окислительно-восстановительных процессов следующих промежуточных продуктов: N20, N0, Ж)г+, N02, N203, N205 или их протонированных форм, например, НЖ>2+, Н!\т203" и т.п., т.е. смеси нитрозных газов и промежуточных продуктов их взаимопревращений.
4.1 Расчеты эдс и ДО изучаемых реакций.
Результаты наших экспериментов можно интерпретировать в рамках теоретической модели, отображаемой схемами 1,2,3 (см. главы 1,2). Для обоснования образования N0 (схема 3, уравнение (1)), как основного продукта восстановления N03" в присутствии I" в уксусной кислоте мы провели расчет э.д.с. изучаемых реакций, что позволяет определить термодинамические тенденции их протекания по величине изменения изобарно-изотермического потенциала ДО .Расчет э.д.с. для реакции, идущей с образованием N0:
ЫОз" + 21" + 4ЬГ =N0 +12 + 2 Н20
Е°ноз-жо = +0,96 V, Е°ь/г = +0,5355 V, э.д.с.= 0,4245
Дв = -6 • 0,42245 • Р= - 2,547 Р, где Р - постоянная Фарадея
Расчет э.д.с для реакции, идущей с образованием N02: 2Х0з" + 2 Г + 4 Н* = N02 + Ь + 2Н20
Е° N0,7 N0,= +0,803 V, э.д.с,— 0,2675
ДО= - 2 • 0,2675 Б= -0,535Р
Полученные значения эдс и величины изменения энергии Гиббса ДО свидетельствуют о большей термодинамической вероятности образования в реакционной массе N0, по сравнению с N02, в качестве основного продукта восстановления нитрат-аниона иодидом в уксусной кислоте. Конечно, проводя теоретические расчеты с использованием Е°, мы лишь приближаемся к тому, что происходит в реальных условиях. Но априори можно судить о том, что в реакции N03" и I" в кислой среде N0 является основным продуктом восстановления Ж>з что позволяет детализировать ранее предложенные схемы образования 1-ЖЪ (гл.2,схема!, гл.З, схемы 2,3):
Схема 5:
Ш3" !н+
N0^1 | с>1 N0 +1+-^иодирование аренов
иодирование аренов иоднитрование ацетиленов
4.2 Экспериментальное доказательство образования Гч02 в реакции иода с нитратами в уксусной кислоте в присутствии субстрата и его отсутствии.
Мы сделали попытку экспериментально доказать образование N02 в системе 12(Г)/Ш3- в уксусной кислоте, образующегося из N0 при окислении кислородом воздуха (гл.З, схема 3, уравнение (2)). С этой целью мы исследовали состав газовой фазы над раствором иода и нитрата натрия в уксусной кислоте в присутствии и отсутствии толана, как ацетиленового субстрата. Была использована стандартная методика улавливания N0^ пленочным хемосорбентом, помещенным в сорбционные трубки СТ212 по ГУ25-1110-039-82.. Анализ основан на фотометрическом определении Ж)г" -аниона, образованного из N02 и десорбированного в водный раствор, реакцией образования азокрасителя с реактивом Грисса. Эксперименты однозначно показали образование N02 как в присутствии, так и в отсутствии толана. Мы нашли, что в реакции 1 ммоль толана с 0,5 ммоль 12 и 2 ммоль нитрата натрия в уксусной кислоте при 80°С за 1 час выделяется 0,07 ммоль N02. При проведении реакции без субстрата за это же время выделяется 0,18 ммоль N02 • Таким образом, 0,11 ммоль N02 вступают в реакцию с субстратом за 1 час. Подобный эксперимент за 5 часов показал, что в реакцию вступают 0,6 ммоль выделившегося N02, что соответствует 57 % выходу иоднитродифенилэ-тена 29.
Полученные данные позволяют сделать некоторые общие выводы о возможном механизме иоднитрования в изученных условиях. Т.к. NO, N0+ в реакциях иодшггро-вания инертны, это показано нами и в реакциях с фенилацетиленом в отсутствии кислорода, следует предположить, что продуктом восстановления нитрат-аниона в реакционной массе является N0, который легко и быстро окисляется в NCh. Известно, что NO2 в ледяной уксусной кислоте существует в форме димера независимо от температуры. А образование NO2-I из N2O4 и Ь доказано в ряде работ [Jager V. 1997]. Т.о., N0? (N2O4), а не NO2" (что показано реакцией с кетонами) или ЖЬ+ (показано в реакциях с алкенами ) участвует в образовании реакционноспособной частицы псевдогалогенида N02-I.
Выводы.
1. Открыт и предложен для использования в органическом синтезе новый доступный реагент иоднитрования алкинов - иод ( или иодид), нитраты щелочных металлов в уксусной кислоте.
2. Показано, что реакционная система - иод (иодид-анион), нитраты щелочных металлов в уксусной кислоте может выступать как иоднитрующий реагент по отношению к алкинам и реагент иодирования активированных аренов, карбазола и, верояно, ке-тонов.
3. Установлены основные закономерности влияния структуры субстратов и внешних условий на реакции иоднитрования алкинов и иодирования аренов.
4. Предложена схема механизмов иоднитрования непредельных углеводородов и иодирования аренов, включающая цикл окислительно-восстановительных превращений между иодом (или иодидом) и нитрат-анионом с образованием нитрил-иодида NO2-I. Данная схема подтверждена экспериментальными результатами и теоретически.
5. Предложен одностадийный способ получения нитроалкенов в реакции этиленовых углеводородов с иодом или иодидом и нитрат -анионом в уксусной кислоте.
1. Mehman S. Yusubov, Irina A. Perederina, Viktor D. Filimonov, Tae-Ho Park, Ki-Whan Chi «А facile synthesis of a - iodo ■ P - nitroalkenes from alkynes using I/NO; or KI/N03\»//SynthakGormamaiicns. 1998. Vol. 28. N 5. P. 833-836.
2. M.C. Юсубов, Чи Ки-Ван, И.А. Передерина, В.П.Васильева, В.К.Чайковский, В.Д.Филимонов. «Pd в ДМСО - реагент с рекордной селективностью для окисления ацетиленов до 1,2 -дикетонов.»// Девятая Всероссийская конференция по химическим реактивам «Реактив - 96». Уфа-Краснодар. 1996.С.46.
3. В.Д.Филимонов, М.С. Юсубов, Е.А.Краснокутская, И.А. Передерина, В.О.Рогачев. «Реагенты на основе ДМСО, серной кислоты, нитратов в новых синтезах поликарбонильных соединений, нитроолефинов, сультонов»// Первая научно-техническая конференция «Фарберовские чтения - 96». Ярославль. 1996. С. 64-66.
4. M.S. Yusubov, I.A.Perederina, J.J. Kulmanakova, Ki-Whan Chi. «Iodine and Alkali metal Nitrates as new convenient reagent for organic synthesis» // The Second Russian-Korean International Symposium on science and technology. Tomsk. 1998. P.147.
Томский политехнический университет
На правах рукописи
Передерина Ирина Александровна
Новый реагент - иод, нитраты щелочных металлов для иоднитрования алкинов, нитрования алкенов и иодирования аренов.
(02.00.03 - Органическая химия)
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук
Научные руководители: доктор химических наук, профессор Филимонов В.Д. кандидат химических наук, доцент Юсубов М. С.
Томск-1998
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................5
Гл.1. Литературный обзор...................................................................................7
1.1 Окислительное галогенирование ароматических соединений.
1.1.1 Иодирующие системы на основе азотсодержащих окислителей; другие родственные реакции.....................................................................................................8
1.1.2 Окислительное галогенирование, промотируемое солями металлов переменной валентности..................................................................................................................16
1.2 Нитрование и нитрогалогенирование непредельных углеводородов.
1.2.1 Нитрование алкенов и алкинов оксидами азота......................................................18
1.2.2 Нитрогалогенирование непредельных углеводородов реагентами на основе азотсодержащих окислителей и иода..........................................................................26
1.2.3 Присоединение МОХ и Ж)2Х к непредельным углеводородам.............................34
1.3 Действие органических и неорганических нитритов, нитратов и иода на енолизирующиеся кетоны.
1.3.1 Способы получения а - нитрокетонов....................................................................35
1.3.2 Использование азотсодержащих окислителей, солей тяжелых металлов и иода для иодирования кетонов......................................................................................................38
Гл.2 Иодирование активированых аренов и некоторых гетероциклов системой ЬЛЧО/, АсОН.
2:1 Иодирование аренов и карбозолов действием ЬЛЧОз" в уксусной
кислоте.............................................................................................................40
2.2 Изучение роли Ог и определение минимально необходимого количества N03" в реакции иодирования аренов............................................43
2.3 Экспериментальная часть...............................................................................46
Гл.З Изучение реакции иоднитрования алкинов действием Ъ (Г)/ N03"в уксусной кислоте.
3.1 Действие 12(Г)/]ЧОз—в АсОН на терминальные и интернальные алкины
с образованием 1-иод-2-нитроалкенов..............................................................49
3.2 Исследование влияния природы и соотношения реагентов на превращения алкинов в иоднитроалкены.........................................................51
3.3 Установление роли кислорода в образовании целевых продуктов.................58
3.4 Предполагаемая схема механизма иоднитрования, включающая образование 1-Ж)2...........................................................................................60
3.5 Спектральные характеристики продуктов иоднитрования
алкинов...............................................................................................................62
3.6 Экспериментальная часть................................................................................68
Гл.4 Взаимодействие алкенов и кетонов с иодом и нитратами щелочных металлов в уксусной кислоте.
4.1 Изучение влияния природы и соотношения реагентов на выход
изомеров нитростильбена................................................................................72
4.2 Реакции 12или I" и N03"- аниона с кетонами................................................77
4.3 Экспериментальная часть...............................................................................79
Гл. 5 Исследование реакций иода и иодид-аниона с нитратами в уксусной кислоте расчетным и экспериментальным методами.
5.1 Расчеты эдс и АО изучаемых реакций.............................................................82
5.2 Экспериментальное доказательство образования Ж)2 в реакции
иода с нитратами в уксусной кислоте в присутствии субстрата и его
отсутствии...........................................................................................................84
5.3 Экспериментальная часть.................................................................................86
Выводы....................................................................................................................88
Список литературы.................................................................................................89
Приложение.............................................................................................................96
Введение
Иодарены, иоднитроалкены, иоднитроалканы и нитроалкены, иод и нитропроизводные кетонов представляют самостоятельный интерес как
фармацевтические препараты, инсектофунгициды, гербициды, дефолианты и красители, а в связи с высокой химической активностью являются ценными синтетическими интермедиатами для получения полинитросоединений, аминов, тиоаминов, нитро- и аминосульфокислот, у-аминокислот, гетероциклов и др. В настоящее время предложены разные способы получения иод- и нитропроизводных непредельных и ароматических углеводородов, но они, как правило, требуют работы с малодоступными, ядовитыми, дорогими реагентами. Известные методы не обеспечивают высоких выходов, часто многостадийны. В связи с этим поиск удобных, экономичных и экологичных реагентов для синтеза иодаренов, иоднитроалкенов, иоднитроалканов, нитроалкенов является актуальным для органического синтеза. Кроме того, пока не решены многие вопросы, относящиеся к выяснению природы промежуточных частиц в реакциях с использованием иода и азотсодержащих окислителей, поэтому необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования этих реакций и реагентов.
Диссертация выполнялась в рамках проекта «Новые реакции и реагенты органического синтеза» (грант РФФИ № 96-03-33054 а), а также госбюджетной темы Томского политехнического университета № 5.34) Цели работы:
1) Создание новых реагентов и методов иоднитрования непредельных соединений и иодирования аренов и гетероциклов.
2) Изучение механизмов реакций иода и нитратов щелочных металлов с ароматическими и непредельными углеводородами в уксусной кислоте.
Научная новизна: Открыта реакция иоднитрования алкинов и нитрования алкенов действием иода (или иодидов) в присутствии нитратов щелочных металлов в уксусной кислоте. Предложена и теоретически и экспериментально подтверждена схема механизмов иоднитрования алкинов и иодирования аренов, включающая окислительно-восстановительные процессы между иодом (или иодидом) и нитрат-анионом с образованием нитрилиодида N021. Впервые детально изучены спектральные характеристики а-иод-Р-нитроалкенов.
Практическая значимость: Разработан и предложен для использования в органическом синтезе простой, удобный, малотоксичный, взрывобезопасный реагент 12(Г)/Ш3" в уксусной кислоте для реакций иодирования активированных аренов, иоднитрования алкинов и одностадийного нитрования алкенов, как продуктов, представляющих общий интерес для органического синтеза, химико-фармацевтической, анилино-красочной и других отраслей промышленности.
Глава 1. Литературный обзор.
1.1. Окислительное галогенирование ароматических соединений.
Иодпроизводные, в частности арилиодиды - ценные синтетические интермедиаты, имеющие медицинское и биохимическое применение.
Реакция галогенирования ароматических углеводородов может осуществляться действием молекулярных галогенов, в случае необходимости активируемых кислотами Льюиса. Несмотря на широкую распространенность, реакции этого типа обладают рядом существенных недостатков. Так иодирование иодом может быть проведено только для сильноактивированных субстратов и не ускоряется кислотами Льюиса, не способными к координации с молекулой иода. Кроме того, в молекулу арена вводится не более половины иода, а одновременное образование галогеноводорода порождает проблему его улавливания и регенерации. Существенным недостатком является и ограниченная возможность управления селективностью процессов.
Более распространенным методом является окислительное иодирование. В данных методах для превращения иода в электрофил необходимо присутствие окислителей, например, HNO3, ШО3, SO3, Н2О2 и др. Иодирование можно осуществить также и при обработке субстрата иодом в присутствии солей меди, SbCl5, AICI3 - CuCl2, трифторометансульфоната серебра CF3S03Ag, бис - [трифторацетоксииодо] бензола и ацетата таллия (I) [ 1 ].
Природа атакующей частицы при иодировании менее ясна, чем при бромировании и хлорировании. Сам иод слишком инертен, и лишь в реакциях с активными субстратами, такими, как фенолы, получены веские доказательства, что атакует молекулярный иод. Есть указания на то, что при катализе перуксусной кислотой атаковать может AcOI, а в присутствии SO3 и ШОз - это 13+ .
1.1.1 Иодирующие системы на основе азотсодержащих окислителей и другие
родственные реакции.
Широко известен предложенный Троновым и Новиковым способ прямого иодирования ароматических соединений в присутствии нитрующей смеси [2,3,4]. Его используют и для одностадийного введения в молекулу арена двух заместителей - иода и нитрогруппы [5]. Описанный метод экономически выгоден, одностадиен, аппаратурно прост. Но его применение ограничивается небольшим числом объектов.
Для иодирования аренов предложены и нитраты металлов в комбинации с иодом или иодидами в присутствии сильных кислот (Н2804, СРзСООН), уксусного и трифторуксусного ангидридов [6,7].
Несмотря на разработанность этих методов, механизм действия этих реагентов не выяснен. Для понимания механизма электрофильного иодирования под действием ШМОз, N0, Ы02 и т.д. наиболее важным является выяснение роли кислорода и определение минимально необходимого количества азотсодержащих окислителей, о чем в литературе отсутствуют четкие данные. Так, при иодировании по методу Тронова-Новикова [4,8] в серно-азотной смеси используют различные соотношения АгН : НКЮз, подобранные экспериментально для каждого ароматического субстрата в зависимости от его активности и количества иода, вводимого в кольцо. Эти соотношения для алкилбензолов находятся в пределах 1 : 0.56 : 0.65, а для более активированных аренов - 1 : 0.22 : 1.6 (образуются в основном дииодпроизводные), т.е. иодирование может успешно осуществляться при молярном недостатке азотсодержащих оксидантов по отношению к субстрату. Возможно, что дополнительные количества электрофильного иода могут получаться за счет
окисления оксидов азота серной кислотой или кислородом воздуха, о чем свидетельствует выделение оксидов азота в ходе иодирования [4].
Белецкая с соавторами в кратком сообщении [6] показали, что смесь К1 и №N03 в трифторуксусной кислоте, содержащей воду, при соотношении АгН : Н^ : N03", равном 3:3:2, является эффективным иодирующим агентом. Но отсутствие экспериментальных данных не позволяет исключить кислород воздуха как дополнительный окислитель, позволяющий многократно использовать оксид азота (II) для генерации катиона иода в каталитическом цикле.
Позже Раднер [7] экспериментально установил, что в токе кислорода для иодирования аренов в подобной системе, но в присутствии уксусного и трифторуксусного ангидридов можно воспользоваться каталитическими количествами нитрата и нитрита натрия, азотной кислоты, N02, Ж)ВР4. Роль кислорода, по мнению автора, заключается в окислении N0 в N02 по схеме:
N0 2Н+ N0 + 0.502-»-N02-»-N203 ->2Ш+ + Н20
0.512 +N0+-»Л+ + N0
Отмечено, что окислительная сила Ж)+ увеличивается с увеличением концентрации кислоты.
Однако, в работах [9,10] предложено альтернативное объяснение механизма активации иода в присутствии трифторуксусного ангидрида. Предполагают, что N03" с трифторуксусным ангидридом дает трифторацетилнитрат, генерирующий нитроний катион, который служит окислителем иода.
В обзоре ОаШ [9] дана сравнительная характеристика методов иодирования аренов, использующих как сильную кислоту Льюиса, и альтернативных
окислительных методов для превращения 12 или I" в электрофил, например в Г. В
качестве окислителей рассмотрены (КН^БгОв, 1ЧО+ ВР4", Се{ТчШ4)2СМОз)б. Авторами
5 природа интермедиата в иодировании с использованием рассматриваемых окислителей. Так, традиционному интермедиату - а-комплексу, в качестве альтернативы предложена радикал-ионная пара, которая преобразуется в а - комплекс
В обзоре [11] рассмотрены методы окислительного галогенирования, в которых не образуется восстановленная форма галогена. При этом роль окислителя заключается либо в переводе Н1§2(Н1§") в соединение типа Н1§ - Ь (где Ь - некоторая нуклеофугная группировка), в реакциях с аренами являющаяся переносчиком электрофильного галогена, либо в окислении ароматического субстрата в интермедиат, способный непосредственно реагировать с галогенид-анионом.
Переносчик электрофильного галогена Н^ - Ь - окислитель по ароматическому субстрату, причем формально можно рассматривать перенос электрона от ароматического ядра на нуклеофуг, независимо от фактического механизма реакции. Проявлению электрофильных свойств такими реагентами способствуют кислотные катализаторы и протонные растворители, образующие водородные связи с нуклеофугом.
Варьирование нуклеофугов позволяет получать галогенирующие агенты с чрезвычайно широким спектром свойств - от мягких и высокоселективных (например, ЬВиОС! или 1Ч-бромсукцинимид) до сверхреакционноспособных ( СБзЗСЬОН^).
а - комплекс
Аг + Е+->^Аг,Ед-АгН* ,Ё]
ж - комплекс ион-радикалььчЛ
пара
Такие процессы предложено разделить по типам нуклеофугных групп.
В качестве кислородсодержащих нуклеофугов представлены алкилгипогалогениты, ацилгипогалогениты. Адилгипофторит, получаемый взаимодействием ацетата натрия с фтором в уксусной кислоте, предложен для селективного орто-фторирования алкоксибензолов и ацетанилида по механизму присоединения-элиминирования :
OR AcOF
"CFCTt
АсОН
Q
OR
F
Ацилгипохлориты, бромиты и иодиты , как правило образуются in situ при
действии на молекулярные галогены мягких кислот Льюиса - карбоксилатов серебра
или ртути. Такой метод активации галогена отличается от активации жесткими
кислотами Льюиса тем, что в этом случае происходит редокс-процесс -
диспропорционирование галогена:
Ш§2 + AgOCOCF3-CF3COOHlg + AgHl
HgO АсОН Cl2-► C120_AcOCl
-HgCl2
-H20
Другой метод синтеза ацилгипогалогенитов - вероятного иодирующего агента представлен группой методов, использующих в качестве окислителя - НЖ)з,, КМПО4 и др. в уксусной кислоте [10]:
АсООН +12-► АсО
Ас01, генерируемый в таких системах, иодирует активированные ароматические субстраты - алкилбензолы, дифенил, флуорен и т.п., а в присутствии Н2Б04 могут быть проиодированы с хорошим выходом галогенбензолы и бензойная
кислота.
Большая нуклеофугность трифторацетат-аниона обуславливает значительное увеличение реакционной способности по сравнению с Ас01 . Тем не менее, из-за склонности иода к образованию поливалентных состояний, это соединение легко диспропорционирует на 12 и иод (III) трис (трифторацетат) . Окисление иода в трифторуксусной кислоте невозможно остановить на стадии образования СБ3С001. Сильные окислители- НЬТОз, РЬ(ОСОСБ3)4 дают иод (III) трис(трифторацетат) :
СБзСООН
12 + ЗРЬ(ОСОСБз)4 -► 21(ОСОСРз)з + ЗРЬ(ОСОСР3)2
Несмотря на то, что получить устойчивый раствор СР3С001 в трифторуксусной кислоте, по-видимому, невозможно, многие окислители способны создавать малую равновесную концентрацию этого реагента. Предполагается, что по такому механизму идет иодирование в СБ3СООН и ее смеси с водой в присутствии солей Со(Ш), Мп(Ш), Се(1У ) [12], нитратов, нитритов щелочных металлов и оксидов азота [13]. В последней работе показано, что галогенирющими агентами в этом случае являются в основном продукты окисления галогенид-ионов ионами нитрония, образующимися в сильнокислой среде из N03
N03- + 2СБ3СООН -»-Н20 + 2СР3СОО - + Ж)2+
Сделано предположение, что в этом случае окислителем более активным , чем Се(1У) может быть образующийся в реакции нитроний катион Ж)2+.
В работе [12] изучены реакции прямого иодирования бензола, галогенбензолов в трифторуксусной кислоте иодом или иодидами щелочных металлов в присутствии Мп(СН3СОО)3, КН4Се(804)2, позволяющие селективно и с высокими выходами получать соответствующие иодарены в сравнительно мягких условиях. Иодирующим агентом, по мнению авторов, является трифторацетилгипоиодит, образующийся в
результате окисления иода солью металла переменной валентности. Иодарен образуется по схеме :
АгН +1-+ 2Меп-»• Аг1 + Н" + гМе^-1)
В работе отмечено, что в системах, содержащих Се№1((Ж)з)5, возможно участие в качестве окислителя как Се(1У), так и N03" аниона.
Перечисленные системы окислительного иодирования обладают близкой реакционной способностью и позиционной селективностью, что позволяет предположить для них единый иодирующий агент.
В системах с участием солей переходных металлов и азотсодержащих окислителей варьирование состава растворителя (СБзС00Н:Н20) позволяет селективно и с высокими выходами (70-98%) иодировать алкилбензолы, бензол, галогенбензолы и некоторые другие, близкие по реакционной способности, субстраты. Однако иодирование в этих системах легкоокисляемых субстратов невозможно, поэтому попытки вводить в такие реакции, например, алкоксибензолы и нафталин приводят к их глубокому окислению и осмолению.
Потенциальными галогенирующими агентами должны я�
