Окисление и галогенирование действием галогенов и галогенидов: экспериментальное и теоретическое исследование реакций, новые методы синтеза вицинальных ди-, поликарбонильных соединений и арилгалогенидов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

Окисление и галогенирование действием галогенов и галогенидов: экспериментальное и теоретическое исследование реакций, новые методы синтеза вицинальных ди-, поликарбонильных соединений и арилгалогенидов

02.00.03 - органическая химия

Краснокутская Елена Александровна

Томск - 2007

Работа выполнена на кафедре органической химии и технологии органического синтеза в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Томский политехнический университет".

Научный консультант:

доктор химических наук, профессор Виктор Дмитриевич Филимонов.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор, профессор кафедры ВМС и химии нефти Томского государственного университета Анатолий Георгиевич Филимошкин;

доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой химии Государственного педагогического университета (г. Красноярск) Леонид Михайлович Горностаев;

доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой общей химии Алтайского государственного технического университета (г. Барнаул) Андрей Иванович Хлебников.

Ведущая организация: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (г. Москва).

Защита состоится " 14 " ноября 2007 г. в 14³⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.04 при Томском политехническом университете по адресу: 634050, Томск, пр. Ленина, 30, ТПУ, 2-й корпус, Малая химическая аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета по адресу: Томск, ул. Белинского, 53.

Автореферат разослан "__" __________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук, доцент Гиндуллина Т.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования определяется тем, что вицинальные поликарбонильные соединения и ароматические иодиды находят широкое применение в органическом синтезе, медицине и технике. Их используют как биологические активные препараты, медицинские диагностикумы, люминофоры, мономеры для термостабильных полимеров и др. Синтетические возможности этих соединений в получении различных классов органических субстратов трудно переоценить, поскольку зачастую они незаменимы при осуществлении важнейших превращений - формировании С-С-связей и гетероциклических систем. В то же время, среди огромного количества химических превращений алкенов, алкинов и особенно насыщенных углеводородов реакции их селективного окисления с формированием вицинальных ди- и поликарбонильных функций являются одними из наименее исследованных, а электрофильное иодирование аренов до сих пор во многом остается "проблемной" реакцией, поскольку отсутствуют однозначные объяснения известных трудностей этого процесса по сравнению с электрофильным хлорированием и бромированием. Более того, в электрофильном иодировании до сих пор практически не известны подходы и методы, отвечающие современным требованиям "Зеленой химии". В отличие от галогенирования использование галогенов и галогенидов как окислительных реагентов не столь распространено в органическом синтезе, поэтому разработка новых окислительных превращений с их использованием также представляется актуальным.

Диссертация выполнялась по программам, поддержанным проектами Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 96-03-033054 и № 00-03-32812а), программами Министерства образования и науки РФ (грант № 15134, программа "Развитие научного потенциала высшей школы"; грант № Э 02-5.0-176); грантами Немецкой службы академических обменов (ДААД) (1993-1994г.г. и 1997г. Технический университет, Дрезден; 2005г. Университет Людвига-Максимилиана, Мюнхен), а также в рамках госбюджетной темы Томского политехнического университета (ЕЗН 5.29.06).

Цели работы: Создание на основе галогенов и галогенидов методов окисления алкенов, алкинов, насыщенных углеводородов до вицинальных ди- и поликарбонильных соединений, исследование механизмов этих процессов.

Разработка новых эффективных методов прямого и косвенного иодирования ароматических и гетероциклических соединений, впервые отвечающих требованиям "Зеленой химии".

Проведение комплекса неэмпирических квантово-химических исследований в высоких базисах для определения количественных параметров реакционной способности и механизмов электрофильного иодирования в сопоставлении с хлорированием.

Положения, выносимые на защиту:

1. Механизмы реакций окисления алкенов и алкинов под действием галогенов и галогенидов в ДМСО.

2. Новая реакция индуцированного окисления алкилбромидов действием ДМСО до ди- и поликарбонильных соединений, протекающая по принципу "домино".

3. Новый метод окисления алкилтрифторацетатов действием ДМСО до альдегидов и кетонов.

4. Новый метод окисления алкенов и вицинальных дибромидов до 1,2-дикетонов действием галогенов и галогенидов в серной кислоте.

5. Первый пример синтеза полимерного 1,2-дикетона.

6. Результаты квантово-химических исследований реакционной способности иодирующих реагентов и ароматических субстратов, а также механизмов реакций электрофильного иодирования в сравнении с хлорированием.

7. Новые подходы к иодированию аренов в отсутствие органических растворителей, впервые отвечающих требованиям "Зеленой химии". Синтез медицинского препарата "Йодантипирин" в отсутствие растворителя.

8. Новые эффективные методы синтеза арил- и гетероарилиодидов диазотированием аминов в апротонных слабокислотных средах и водных пастах.

9. Новый метод получения арилдиазонийтозилатов - соединений, обладающих повышенной устойчивостью, уникальным для диазониевых солей строением и перспективностью для органического синтеза.

Научная новизна работы:

1. Установлен механизм реакций окисления алкенов и алкинов до дикарбонильных соединений под действием брома, йода и HBr в ДМСО. Показано, что основной маршрут окислительных трансформаций непредельных соединений реализуется через образование вицинальных дигалогенидов, которые либо медленно взаимодействуют с ДМСО с образованием карбонильных соединений, либо подвергаются побочному дегидрогалогенированию с образованием неактивных к дальнейшему окислению непредельных галогенидов.

2. Открыта реакция "индуцированного" окисления алкилгалогенидов под действием ДМСО до вицинальных ди- и трикарбонильных соединений и предложен подход к получению ранее неизвестных полимерных 1,2-дикетонов.

3. Обнаружено, что галогены и галогениды в серной кислоте окисляют стильбены и вицинальные дибромиды до 1,2-дикетонов.

4. С использованием неэмпирического метода DFT B3LYP/6-311G* впервые определено электронное и пространственное строение широкого ряда соединений со связями X-Hal (X = N, O, Cl; Hal = Cl, Br, I) в нейтральной и протонированной формах. Выявлено влияние строения этих соединений на количественные параметры электрофильной реакционной способности.

5. Показано, что благодаря термодинамически вероятным процессам образования I₃⁺ и обмена иода между реагентами X-I и растворителями, реакционная способность большинства иодирующих агентов должна определяться не единственной структурой, а набором существующих в растворах электрофильных иодирующих частиц.

6. Вычислены профили поверхностей потенциальных энергий электрофильного иодирования в сравнении с хлорированием. Согласно полученным результатам, основные отличия электрофильного иодирования от хлорирования заключаются в большей степени обратимости за счет вклада реакции протодеиодирования.

7. Дано альтернативное существующим объяснение механизма хлорирования полициклических конденсированных аренов (нафталин, антрацен, фенантрен) действием ICl, заключающееся в том, что эти реакции протекают через стадии присоединения-отщепления.

8. Впервые определена реакционная способность агентов электрофильного иодирования - I₂, ICl, N-иодсукцинимид, I₂/PhI(OAc)₂, I₂/AgNO₃ в отсутствие растворителей, установлены закономерности влияния структур на активность в этих реакциях. Показано, что скорости реакций и выходы продуктов иодирования в найденных условиях, как правило, превышают таковые сравнительно с традиционными процессами в органических растворителях.

9. В противоположность опубликованным данным показано, что тетраалкиламмоний дихлориодаты Alk₄N⁺ICl^- не являются активными иодирующими агентами аренов в отсутствие растворителя. В то же время найдено, что в серной кислоте они приобретают суперэлектрофильные свойства и способны легко иодировать дезактивированные арены.

10. Разработан принципиально новый, эффективный и экологически безопасный метод синтеза арилиодидов широкого ряда через реакции диазотирования-иодирования ароматических аминов в водных пастах.

11. Предложен одностадийный метод синтеза широкого ряда арилдиазоний тозилатов диазотированием аминов в присутствии толуолсульфокислоты. Впервые проведено комплексное структурное исследование данных солей методами ИК, ЯМР, DTA/TGA/DSC и рентгенокристаллографически. Показано, что данные соединения невзрывоопасны, устойчивы при хранении, обладают повышенной термической стабильностью, не свойственной обычным диазониевым солям, и необычными чертами строения. В то же время, данные соли проявляют повышенную реакционную способность в галогенировании и нитровании, что обуславливает их перспективность для широкого использования в органическом синтезе.

Практическая значимость. Предложены реагенты на основе галогенов и галогенидов для окисления алкенов, алкинов, насыщенных углеводородов, спиртов, сложных эфиров до карбонильных, вицинальных ди- и поликарбонильных соединений, представляющих важность в качестве биологически активных препаратов, мономеров и полупродуктов органического синтеза.

Ароматические и гетероциклические иодиды представляют большую практическую значимость как универсальные строительные блоки в органическом синтезе, а также уникальные медицинские препараты и диагностикумы. В работе предлагаются новые эффективные методы синтеза прямого и косвенного ароматического иодирования. Так, устойчивые, безопасные и дешевые алкиламмоний дихлориодаты Alk₄N⁺ICl^- в серной кислоте или присутствии Ag₂SO₄ являются удобными реагентами иодирования дезактивированных аренов и выступают альтернативой высокотоксичному и коррозионно опасному хлориду иода.

На основе реакции иодо-дебромирования разработан практичный метод получения полициклических арилиодидов, которые не могут быть получены методами прямого иодирования.

Для получения арилиодидов широкого ряда предлагается одностадийный эффективный метод диазотирования-иодирования аминов системой KI/NaNO₂/p-TsOH в ацетонитриле.

Разработаны препаративные методы получения арил- и гетероарилиодидов через реакции прямого электрофильного иодирования и диазотирования-иодирования в отсутствие органического растворителя, отвечающие требованиям "Зеленой химии". Предлагаемые методы могут явиться основой для создания дешевых и экологически безопасных технологий нового поколения. Разработан метод твердофазного синтеза медицинского препарата "Йодантипирин", полностью исключающий использование органических растворителей.

Результаты проведенных теоретических исследований механизмов реакций электрофильного иодирования и хлорирования, оценки реакционной способности реагентов и субстратов устанавливают возможности и ограничения препаративного иодирования и позволяют прогнозировать его результаты.

Апробация работы. Отдельные части работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Селективное окисление углеводородов и ресурсосбережение углеводородного сырья" (Харьков, 1991г.); Всесоюзном совещании "Механизмы реакций нуклеофильного замещения и присоединения" (Донецк, 1991г.); VII Международном совещании по хим. реактивам (Уфа - Москва, 1994г.); I-ой научно-технической конференции "Фаберовские чтения-96" (Ярославль, 1996г.); Семинаре РФФИ "Каталитические процессы, катализаторы и инновации" (Томск, 1998г.); II-V Российско-Корейских международных симпозиумах по науке и технологии "KORUS" (Томск, 1998г.; Ульсан, Южная Корея, 2000г., 2003г.; Новосибирск, 2001г.); Международной конференции "Органический синтез и комбинаторная химия" (Москва, Звенигород, 1999г.); II, III Всероссийской научной конференции "Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий" (Томск, 2002 г., 2004г.); I Международной конференции "Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий" (Томск, 2006г.); XIth International Congress of Quantun Сhemistry (Bonn, Germany, 2003); IV Международном симпозиуме по органическому синтезу (Москва-Углич, 2003г.); Inernational Conf. "Modelling and Understanding in Theoretical Chemistry" (Lucca, Italy, 2004); Международной конференции по органической химии "Органическая химия от Бутлерова и Бейльштейна до современности" (Санкт-Петербург, 2006); Eighth Tetrahedron Symposium "Challenges in Organic Chemistry" (Berlin, Germany, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 статей, 9 докладов, тезисы 13 докладов, получен 1 патент.

Объем и структура работы. Работа изложена на 280 страницах, содержит 13 рисунков и 53 таблицы. Состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы из 489 наименований. Первая глава диссертации посвящена литературному обзору о современных методах и реагентах окисления непредельных соединений до 1,2-дикетонов, а также методах окислительного иодироавния аренов и ароматических гетероциклов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2. Окисление и галогенирование непредельных соединений под действием галогенов и галогенидов в ДМСО.

В начале 90-годов в нашей лаборатории было показано, что HBr, Br₂ и I₂ в ДМСО окисляют некоторые алкены и алкины до 1,2-дикетонов - ценных продуктов органического синтеза [Филимонов и др. Усп. хим., 1998]. Целью данной части работы является:

- расширение препаративных возможностей указанных реагентов;

- установление механизмов и основных закономерностей реакций окисления алкенов и алкинов до 1,2-дикарбонильных соединений под действием галогенсодержащих агентов;

- разработка новых окислительных реагентов;

- исследование принципиально новых путей синтеза вицинальных дикарбонильных соединений окислением предельных соединений.

Для решения поставленной задачи проводилась оценка влияний строения субстратов и реагентов на активность, определение промежуточных продуктов реакций (методы ВЭЖХ, ГХ-МС и ЯМР-спектроскопии), проведение кинетического анализа с привлечением данных по кинетическим изотопным эффектам.

2.1. Определение основных закономерностей реакций окисления алкенов и алкинов до 1,2-дикарбонильных соединений под действием HBr/ДМСО

Известно, что HBr/ДМСО способен окислять стильбен (1) и ряд других интернальных алкенов до 1,2-дикетонов при 115°С с высоким выходом [Юсубов и др. Изв. Акад. Наук СССР, Сер. Хим., 1991, 868]

Мы установили, что система HBr/ДМСО эффективно окисляет и терминальный алкен - стирол (2) до фенилглиоксаля (3), однако при 115°С наблюдается образование многочисленных побочных продуктов. Лишь снижение температуры до 80°С за более длительное время позволило получить фенилглиоксаль с препаративным выходом 89 %.

Анализ состава реакционной массы окисления алкенов (1, 2) действием HBr/ДМСО в зависимости от времени показывает качественно сходную картину - основными и быстро возникающими промежуточными продуктами в обоих случаях являются соответствующие вицинальные дибромиды PhCHBrCHBrPh и PhCHBrCH₂Br, последующее взаимодействие которых с ДМСО и приводит к целевым дикетонам. Кроме того, в начальные моменты зафиксированы следовые количества соответствующих бромгидринов, и кетонов (PhCHBrCHOHPh, PhCHOHCH₂Br, PhCOCH₂Ph, PhCOMe), а также 4-фенил-1,3-диоксолана, которые превращаются в дикарбонильные продукты. Стабильными побочными продуктами окисления оказываются непредельные бромиды PhCBr=CHPh и PhCH=CHBr; эти соединения накапливаются в реакционной массе в количествах (18-21 %) и практически не превращаются в продукты.

Бром в ДМСО также окисляет стирол и стильбен, однако при этом возрастает доля побочных процессов, связанных с разложением ДМСО до формальдегида, что снижает выходы дикетонов до 54-60 %.

Для терминальных и интернальных алкинов (4а, 5) система HBr/ДМСО показала существенно меньшую окислительную активность - выходы дикарбонильных соединений относительно низки, а главными продуктами оказались соответствующие (E)- и (Z)-изомеры непредельных дибромидов PhCBr=CBrPh и PhCBr=CHBr, инертные к дальнейшему окислению

Известно, что ДМСО с одной стороны является окислителем бромидов и иодидов до свободных галогенов, а с другой - окислителем алкилгалогенидов до карбонильных соединений (реакция Корнблюма). Кроме того, известен пример участия ДМСО как нуклеофила в реакциях сопряженного галогенирования некоторых алкенов. На этих основаниях главный маршрут окисления алкенов действием HBr в ДМСО может быть представлен схемой 1.1.

Me₂SO + HBr > Me₂S + Br₂ + H₂O



Схема 2.1

Очевидно, что быстрой стадией в описываемых окислительных реакциях является электрофильное бромирование или сопряженное бромирование, что экспериментально показано накоплением дибромидов в реакционных массах. В таком случае, медленной стадией изученных реакций является образование диметилсульфоксониевых солей по пути нуклеофильного замещения промежуточных вицинальных дибромидов, либо распад этих солей с формированием карбонильной группы, т.е. собственно стадия окисления.

Мы определили кинетические параметры окисления стильбена (1) в системах HBr/ДМСО и Br₂/ДМСО в условиях реакций псевдопервого порядка. Кинетические результаты показали десятикратное ускорение реакции окисления под действием HBr/ДМСО сравнительно с бромом в ДМСО. Этот факт согласуется с препаративными результатами и объясняется, прежде всего, известной реакцией частичного разложения ДМСО высокими концентрациями брома до формальдегида в жестких условиях, а также различным составом среды (безводная среда при использовании Br₂ и водная для HBr). Выделяющийся в ходе окисления формальдегид расходуется на образование 4-фенил-1,3-диоксолана.

Вычисленное значение энтропии активации окисления стильбена HBr/ДМСО имеет большую отрицательную величину (-274 Дж/моль?К), указывая на бимолекулярный характер процесса, однако не позволяет сделать выбор в пользу одной из двух лимитирующих стадий реакции (схема 2.1) - образования, либо распада диметилсульфоксониевой соли, поскольку отрицательные величины ?S^# характерны и для реакций нуклеофильного замещения S_N2, и реакций элиминирования.

С целью выбора определения лимитирующей стадии мы вычислили константу скорости окисления E-d₂-стильбена системой HBr/ДМСО при 90⁰С.

В случае лимитирующего распада сульфоксониевой соли должен был наблюдаться кинетический изотопный эффект близкий к 7 (k_H/k_D ~ 7). Однако скорости реакций окисления обоих аналогов стильбена оказались практически идентичными, что доказывает медленное образования сульфоксониевой соли по пути нуклеофильного замещения.

Приведенные данные о механизме окисления алкенов HBr/ДМСО хорошо объясняют и результаты действия этой окислительной системы на алкины, где основными продуктами оказываются непредельные вицинальные дибромиды: нуклеофильное замещение брома в непредельных бромидах является существенно более медленным процессом, чем в предельных. Та же причина приводит и к накоплению непредельных бромидов PhCBr=CHPh и PhCH=CHBr в продуктах окисления алкенов.

2.1.2 Системы HBr/ДМСО и Br₂/ДМСО как окислительные и бромирующие агенты

Поскольку первой стадией окисления алкенов и алкинов действием HBr/ДМСО является образование электрофильного брома, представляется важным оценить возможности конкурирующего ароматического бромирования. С этой целью мы впервые исследовали действие системы HBr/ДМСО на активированные к электрофильному замещению ароматические соединения. галоген окисление алкен иодирование

На примере производных карбазола - Е-3-(2-фенилэтенил) карбазола (7) и его 9-метилпроизводного (8) показано, что происходит как окисление двойной связи, так и бромирование кольца. Так, соединение 8 под действием HBr/ДМСО при 60-65°С (48 ч) превращается в бромированный дикетон 8а (выход 52 %). Состав продуктов реакции карбазола 7 сильно зависит от температуры: при 60-65°С (36 ч) образуется смесь веществ (7а, б) (~50:50), при 80°С (36 ч) с выходом 47 % выделено индивидуальное соединение 7б, а при 120°С - вновь образуется сложная смесь, одним из компонентов которой является дикарбазолилметан (7в), образование которого легко объясняется взаимодействием соединения 7б с CH₂O, генерируемым из ДМСО в условиях реакции.

Селективное бромирующее действие система HBr/ДМСО проявила по отношению к карбазолу (9), его N-метилпроизводному (10) и нафталину (11) (табл. 1.1). Однако в случае антрацена (12) и аценафтена (13) наряду с бромпроизводными наблюдалось образование продуктов окисления - соответствующих хинонов.

Таким образом, HBr в ДМСО является бромирующим агентом для субстратов не склонных к окислению (карбазол, нафталин). В то же время субстраты, имеющие окисляемые фрагменты, подвергаются как бромированию, так и окислению (антрацен, стирилкарбазолы, аценафтен).

Таблица 2.1. Действие системы HBr/ДМСО на активированные ароматические соединения

Субстрат	Время, ч	Т°С	Продукт, %
Карбазол (9)	10	80	3,6-дибромкарбазол (9а), 70
9-Метилкарбазол (10)	4.5	120	3,6-дибром-9-метилкарбазол (10а), 79
Нафталин (11)	7.5	80	1-Бромнафталин (11а), 68
Антрацен (12)	9.5	85	9-бромантрацен (12а), 41 Антрахинон (12б), 10
Аценафтен (13)	6	80	5-Бромаценафтен (13а), 58 Аценафтенхинон (13б), 14

2.2 Окислительная и иодирующая активность системы I₂/ДМСО

Мы впервые показали, что раствор I₂ в ДМСО является универсальным реагентом для превращения кратных связей алкенов и алкинов до 1,2-дикетонов. При этом наибольшая окислительная активность I₂/ДМСО в противоположность системе HBr/ДМСО и Br₂/ДМСО проявилась по отношению к диарилацетиленам (2а-к). Так толан (4а) при 115°С (т. е. в условиях окисления с помощью HBr/ДМСО) превращается в бензил (6) за 45 часов, а стильбен (1) - за 175 часов. При повышении температуры до 155°С толан (4а) окисляется практически с количественным выходом в течение 1 часа, в то время как стильбен (1) в этих же условиях превращается за 10 часов с выходом дикетона (6а) 85 %. В случае обоих видов субстратов электронодонорные заместители ускоряют, а электроноакцепторные замедляют реакцию.

где, R = H (а), Me (б), ОН (в), MeO (г), Cl (д)

R=R¹=H (a); R=Me, R¹=H (б); R=OH, R¹=H (в); R=OMe, R¹=H (г);

R=Cl, R¹=H (д); R=CHO, R¹=H (e); R=NO₂, R¹=H (ж);

R=R¹=Me (з); R=R¹=MeO (и); R=R¹=Cl (к)

Иод в ДМСО был использован нами впервые для окисления диинов (14а-з) с различным центральным арильным фрагментом с целью синтеза ароматических бис-1,2-дикетонов (15а-з), являющихся ценными мономерами для получения полифенилхиноксалинов.

где Ar =:

Окисление диинов (14а-з) протекает с высокими выходами. При этом наблюдается сильное замедление скорости окисления при наличии в структуре субстрата электроноакцепторных группировок. Помимо окисления тройных связей диина (14з) I₂/ДМСО окисляет также метиленовую группу флуоренонового ядра с образованием в качестве основного продукта бисдикетонового производного флуоренона (15ж).

Большая активность I₂/ДМСО по отношению к ацетиленам, хорошо объяснима с позиций рассмотренных выше окислительных трансформаций кратных связей. При взаимодействии алкенов с I₂/ДМСО первой и относительно быстрой стадией должно быть электрофильное иодирование. Однако этот процесс обратим и в результате концентрация промежуточного дииодида RCHICHIR будет существенно ниже концентрации соответствующего дибромида. Это является причиной общего замедления реакции окисления алкенов под действием I₂/ДМСО сравнительно с системами HBr(Br₂)/ДМСО.

С другой стороны, реакция I₂/ДМСО с алкинами также первоначально приводит к образованию непредельных дииодидов RCHI=CHIR, однако известно, этот процесс практически необратим, а нуклеофильное замещение атома иода проходит намного быстрее замещения брома. Распад промежуточно образующихся непредельных диметилсульфоксониевых солей

PhC(OS⁺Me₂)=CXPh,

т.е. собственно стадия окисления, может проходить по двум направлениям с участием ДМСО (путь А) или воды, присутствующей в ДМСО (путь В) (схема 1.2).

Косвенным доводом в пользу пути (А) может служить тот факт, что не наблюдается различий в скорости и результате окисления толана иодом в товарном и специально осушенном ДМСО, т.е. не наблюдается влияния количеств воды на ход реакции.



Схема 2.2

Терминальные непредельные соединения (стирол и фенилацетилен) под действием I₂/ДМСО при температуре 150°С образуют фенилглиоксаль, однако последний распадается, образуя сложную смесь продуктов, в которой в качестве главных компонентов индентифицированы и выделены бензойная кислота (57-65 %) и 2-метилсульфанил-1,4-дифенил-2-бутен-1,4-дион (16) (10 %):

(16)

Образование бензойной кислоты, представляется ожидаемым с учетом высокой лабильности фенилглиоксаля к окислительным процессам, а образование продукта 16 дает дополнительную информацию о механизме окисления кратных связей действием I₂/ДМСО. Соединение 16 недавно было получено окислением ацетофенона иодом в ДМСО в присутствии CuO. Ключевой стадией этой реакции является образование PhCOCH₂I, при взаимодействии которого с Me₂S (продуктом разложения ДМСО) образуется аддукт PhC(O)CH₂SMe₂⁺I^-, реагирующий далее с фенилглиоксалем. Эти данные позволяют детализировать маршруты реакции иода в ДМСО с непредельными соединениями (схема 1.3). К сожалению, это интересное превращение фенилглиоксаля подавляется более быстрым окислением до бензойной кислоты. Снижение температуры реакции резко замедляло весь процесс. Так при 120°С в течение 6 часов фенилацетилен (4) превращался с низкой конверсией до фенилглиоксаля с выходом 20 % (метод ВЭЖХ), а при 80°С окисление вовсе не шло. Стирол при пониженных температурах был инертен.

2.3 Окисление спиртов и сложных эфиров с участием диметилсульфоксида как О-нуклеофила

ДМСО - давно известный окислитель спиртов (окисление по Пфицнеру-Моффиту и др. методы). В этих процессах окислителем выступает не сам ДМСО, а его активированная различными электрофилами форма Me₂S⁺O-E. В то же время известно, что ДМСО является сильным О-нуклеофилом. Учитывая это, мы исследовали возможности окисления спиртов и сложных эфиров действием ДМСО без использования посторонних электрофилов. На примере бензгидрола и его ацетата установлено, что нагревание в ДМСО, не приводит, как и следовало ожидать, к окислению. Однако в случае хорошей уходящей группы (трифторацетат бензгидрола) окисление проходит достаточно эффективно, а добавки NaHCO₃ ускоряют реакцию. Оказалось, что реакция носит общий характер, и на ее основе разработан простой метод окисления трифторацетатов (17-23) до кетонов и альдегидов нагреванием в ДМСО в присутствии NaHCO₃ при 100-150 ⁰С.

R¹R²CHOCOCF₃ + DMSO/NaHCO₃ R¹R²C=O (42-88 %) (17-23)

R¹=R²=Ph (17), R¹=Ph, R²=H (18); R¹=Ph, R²=Et (19); R¹=Ph, R²=C₆H₁₁ (20)

R¹=Ph, R²=Ме (21); R¹=4-OMe-C₆H₄, R²=Me (22); 2-инданол (23)

Этот метод окисления с использованием ДМСО существенно проще известных, которые требуют осушенного ДМСО и специальных условий.

Мы нашли, также и альтернативный путь использования ДМСО в окислении спиртов в кислотных средах - оказалось, что система KBr/H₂SO₄/ДМСО эффективно окисляет спирты (17,18,21,24,25) до соответствующих карбонильных соединений:

R¹R²CHOH + KBr/H₂SO₄/ Me₂SO R¹R²C=O (45-76 %) (17,18,21,24,25)

R¹=R²=Ph (17); R¹=Ph, R²=H (18); R¹=Ph, R²=Me (21); R¹=Ph, R²=COPh (24); R¹=Bn, R²=Ph (25):

В данном случае окисление проходит через промежуточное образование алкилбромидов.

2.4 Новая реакция окисления алкилбромидов ДМСО до 1,2-ди- и вицинальных поликетонов, основанная на "принципе домино"

В ходе выяснения причин того необычного обстоятельства, что при окислении алкенов системой HBr/ДМСО фиксируются промежуточные дибромиды, но не продукты гидробромирования С=С связей мы обнаружили, что 1-бром-1-фенилэтан (26) окисляется ДМСО при 80°С (21ч) до фенилглиоксаля (87 %). При этом ожидаемый ацетофенон фиксируется лишь в следовых количествах как интермедиат.

Таким образом, было обнаружено необычное превращение монобромалканов, когда окисление C-Br связи, индуцирует окисление соседней метильной группы. Подобный тип реакций соответствует "принципу домино": трансформация одной группы вызывает последовательные изменения соседних группировок молекулы. В целом, реакция включает следующие стадии:

RCHBr-CH₂R' + ДМСО RCOCH₂R' + HBr HBr + Me₂SO > Br₂ + Me₂S + H₂O

RCOCH₂R' + Br₂ RCOCHBrR' + HBr

RCOCHBrR' + ДМСО RCOCOR' + HBr

Встает принципиальный вопрос, насколько "далеко" по углеродной цепи может распространиться это индуцированное окисление? Оказалось, что реакция носит общий характер: 1-бромаценафтен (27), PhCHBrCH₂CH₂Ph (28), 2-броминдан (29) и PhCHBrCH₂CH₂CH₂Ph (30) при нагревании в ДМСО (100-120°С) легко образуют аценафтенхинон (13б) (76 %), 1,3-дифенилпропантрион (31) (59 %) и нингидрин (32) (65 %). Окисление бромида (30) шло более сложно, частично с расщеплением С-С-связи, тетракетон Ph(CO)₄Ph (33) был зафиксирован в смеси в количестве лишь 20 %. Таким образом, индуцированное окисление может быть с успехом распространено, по крайней мере, на три метиленовые группы.

Разработанный метод был применен для "индуцированного" окисления сополимеров CO с этиленом (-CH₂CH₂CO-)n (34) и пропиленом (-CH(Me)-CH₂CO-)n (35), полученных в лаборатории профессора Г.П. Белова в Институте проблем химической физики РАН, г. Черноголовка.

Сополимер (34) представлялся идеальным соединением для отработки подходов к синтезу во многом "загадочных" поликарбонов (-CO-)_n через стадии бромирования-окисления с индуцированным содействием. Однако чрезвычайно низкая растворимость полимера (34) во многих растворителях не дала возможности осуществить даже первую стадию бромирования.

Более успешным было превращение сополимера (35) под действием HBr/ДМСО. Однако и здесь провести бромирование и окисление в одну стадию не удалось из-за низкой растворимости промежуточного полибромкетона (36) в ДМСО. Однако выделенный и очищенный полимер (36) с высоким выходом окислялся в смеси ДМСО-ДМФА до стабильного поликетона (37), который является первым примером вицинальных дикетонов полимерного строения.

2.5 Окисление алкенов и вицинальных дибромидов под действием галогенов и галогенидов в присутствии H₂SO₄

Впервые найдено, что стильбен (1) и его производные, в смеси серной и уксусной кислот в присутствии 0.5-2.0 эквивалентов Br₂, I₂, HBr, NaBr или KI образуют соответствующие 1,2-дикетоны. При этом наибольшую эффективность показали Br₂ и NaBr.

где, R = H (а), Me (б), MeO (г), Cl (д), NO₂ (е)

ХY = I₂, Br₂, HBr, NaBr, KI

На скорость реакции заметное влияние оказывают заместители в кольце - электронодонорные ускоряют, электроноакцепторные - замедляют. Реакция проходит через промежуточное бромирование С=С связей. Оказалось, что предварительно полученные известными методами дибромиды действительно окисляются при нагревании в смеси H₂SO₄/AcOH и отсутствии посторонних галогенов или галогенидов до соответствующих бензилов.

где, R = H, Me, MeO, Cl, NO₂

Как и при окислении стильбенов, донорные заместители повышают скорость окисления, а электроноакцепторные - сильно снижают. В случае нитропроизводного R=NO₂ наблюдается дебромирование с образованием нитростильбена (18-20 %). Возможно, что окисление дибромидов в данных условиях проходит под действием выделяющегося SO₂ по пути, сходному с известным механизмом окисления PhCHBrCHBrPh до бензила диоксидом теллура. Мы зафиксировали образование SO₂ и показали, что PhCHBrCHBrPh легко окисляется до бензила в реакционных системах, заведомо генерирующих диоксид серы. Таким образом, разработанный нами метод окисления алкенов и вицинальных дибромидов до 1,2-дикетонов в серной кислоте является эффективным и наиболее дешевым из известных.

3. Теоретическое изучение реакций электрофильного иодирования ароматических углеводородов

Как уже отмечалось, ароматические и гетероциклические иодиды представляют особый интерес для органического синтеза и имеют широкое самостоятельное значение. Однако до сих пор отсутствуют четкие и систематизированные данные как о природе иодирующих агентов (структура, реакционная способность), так и о закономерностях самой реакции электрофильного иодирования. Выяснение этих вопросов позволило бы не только прогнозировать результаты иодрования, но и обеспечило бы условия для разработки новых, эффективных методов и реагентов.

В данной части работы мы впервые провели комплекс теоретических исследований строения и реакционной способности иодирующих агентов, определили основные термодинамические характеристики электрофильного иодирования аренов в сопоставлении с хлорированием и построили энергетические профили реакций. В качестве метода исследований использовали квантово-химические расчеты (DFT) гибридным методом функционала плотности B3LYP с применением натуральных орбиталей связи (NBO). Для "легких" атомов использовали полноэлектронный базисный набор 6-311G*, а для атома иода применяли релятивистский потенциал, включающий 46 остовных электронов и 6-311G* (10s9p5d) базисный набор для валентных электронов (Glukhovtsev M.N. et al, 1995). Расчеты проводили как для газовой фазы, так и в растворителях в рамках модели PCM.

В качестве объектов выбраны: ICl, HOI, MeOI, CH₃COOI, CF₃COOI, CF₃SO₂OI, HOSO₂OI, N-иодсукцинимид (NIS), тетраиодгликолурил (TIG), 1,3-диод-5,5-диметилгидантоин (DIH) и N-иодсахарин (NISAC), а также для сравнения соответствующие бром- и хлорпроизводные - HOBr, HOCl, N-бромсукцинимид (NBS) и N-хлорсукцинимид (NCS). Определены заряды на атомах иода и гетероатома, длины связей гетероатом-I, индекс Виберга (W_I-X), а также энергии низших свободных орбиталей (E_НСМО, эВ) и степень их локализации на атомах. Согласно полученным данным дефицит электронной плотности на атоме иода растет в следующем ряду: I-Cl (0.178) < CH₃OI (0.235) < HOI (0.259) < TIG (0.255) < NIS (0.273) < CH₃COOI (0.283) < DIH (0.268, 0.289) < CF₃COOI (0.341) < NISAC (0.343) < HOSO₂OI (0.376) < CF₃SO₂OI (0.400). В этом же ряду увеличивается степень поляризации связи X-I и уменьшается индекс Виберга.

Среди стабильных, существующих в свободной форме иодирующих реагентов, согласно проведенным расчетам, наибольший электрофильный характер имеет NISAC. Известно, что активность иодирующих агентов повышается в кислотных средах. Причиной этого может являться то, что протонирование как повышает электрофильный характер иодирующих реагентов, так и способствует переносу электрофильного иода в раствор. Согласно нашим расчетам дефицит электронной плотности на атоме иода протонированных форм соединений RXI возрастает в следующем ряду:

TIG-H⁺ (0.420) ~ DIH-Н⁺ (0.419, 0.433) < NIS-H⁺ (0.444) < NISAC-H⁺ (0.484) < ICl⁺H (0.499) < CH₃CO⁺HOI (0.537) < CF₃CO⁺HOI (0.584) < IOSO₂OH₂⁺ (0.590) < CH₃OH⁺I (0.600) ~ CF₃SO₂⁺HOI (0.603) < H₂O⁺I (0.668).

Вычисленные значения заселенностей НСМО (С ²) показывают, что для всех изученных соединений R-X-I эта орбиталь локализована, главным образом, на атомах иода, подтверждая тем самым его электрофильный характер. Протонирование приводит к заметному снижению энергий НСМО и еще большему возрастанию электрофильности иода. Исключениями выступают соединения со связями N-I, протонирование которых почти не изменяет вклад атомных орбиталей иода в НСМО, а потому TIG-H⁺, DIH-Н⁺, NIS-H⁺, NISAC-H⁺ оказываются согласно расчетам менее электрофильными в кислотных средах, чем протонированные соединения со связями Cl-I и O-I. Уменьшению энергий НСМО отвечает возрастание дефицита заряда на атомах иода, как в нейтральных RX-I, так и протонированных формах, и между вычисленными величинами q(I) и энергиями НСМО имеет место приближенная линейная зависимость.

Мы впервые количественно определили влияние структуры исследуемых соединений на энтальпии и свободные энергии гомолитического и гетеролитического разрывов связи X-I в нейтральной и протонированной формах в сравнении с родственными соединениями со связями X-Cl и X-Br (уравнения 1-3). Для катионов галогенов Hlg⁺ принимали их триплетные состояния как наиболее устойчивых.

Hlg = Cl, Br, I

Энергии гомолитического разрыва связей X-Hlg (30-60 ккал/мол) оказываются почти на порядок ниже гетеролитического. Согласно расчетам прочности связей N-I изученных N-иодимидов возрастают в следующем ряду TIG < DIH < NISAC < NIS. Сопоставление же расчетных данных для структурно родственных иод-, бром- и хлорпроизводных приводит к следующему ряду электрофильной активности соединений RXHlg (X=O, N): Cl < Br < I, что выглядит на первый взгляд, достаточно нетрадиционно и противоположно ряду возрастания электрофильности галогенов. Однако найденная закономерность становится очевидной, если иметь в виду, что поляризация связей гетероатом-галоген X^д--Hlg ^д+ в ряду изученных соединений RXHlg (X=O, N) должна возрастать в порядке Cl < Br < I за счет большей электроотрицательности атомов O и N в сравнении с галогенами. Часто постулируемая большая электрофильная активность гипохлоритов и гипобромитов по сравнению с иодсодержащими аналогами по полученным данным объясняется не собственной электрофильностью, но молекулярными хлором и бромом, выделяющимися при гомолизе связей X-Cl и X-Br. Протонирование изученных агентов приводит к резкому снижению энергий гетеролиза связей X-Hlg, однако и в этом случае энергии гомолиза остаются более низкими. Исключениями выступают протонированные формы IOH₂⁺, CF₃C(OH⁺)OI и особенно ClHI⁺, для которых гетеролитическая диссоциация становится более вероятной. На основании расчета термодинамических функций мы показали, что в нейтральных средах реагенты RX-I не могут быть источником I⁺, а потому сами являются истинными иодирующими реагентами. Однако полученные результаты предсказывают возможность еще одного конкурирующего маршрута иодирования с участием трииодид-катиона I₃⁺ по следующим реакциям:

?G_s = 32-80 ккал/моль ?G_s = -26 - (14) ккал/моль.

Оказалось, что существование этого иона наиболее предпочтительно в тригональной форме и синглетном состоянии. Вычисленные термодинамические характеристики реакций образования иона I₃⁺ показывают явную термодинамическую выгодность его образования и существенно более высокую долю распада протонированных форм RXIH⁺ до I₃⁺, нежели до монокатиона I⁺ в кислотных средах, или радикала иода при гомолизе связей X-I. Более того, для протонированного хлорида иода ClH⁺I расчеты предсказывают практически полный распад до I₃⁺ в присутствии иода. Таким образом, согласно расчетам, истинными электрофильными реагентами иодирования в кислотных средах являются протонированные формы RXIH⁺ и I₃⁺, соотношение которых должно зависеть от концентрации реагента и природы используемого растворителя.

Сопоставление значений в растворителях с газовой фазой показывает, что за счет высоких энергий сольватации ионных частиц примерно в двукратной степени падают энергии гетеролитического разрыва связей X-Hlg, оставаясь, тем не менее, значительно более высокими, чем для гомолитической диссоциации. Изменение полярности среды относительно слабо влияет на энергии диссоциации связей X-Hlg протонированных субстратов RX(H⁺)I.

Для понимания природы реакций иодирования в гидроксилсодержащих растворителях необходимо ответить на принципиальный вопрос - происходит ли перенос иода к субстратам непосредственно от реагентов, или реагенты служат лишь источниками активного иода, переходящего в раствор? Мы впервые рассчитали величины изменения свободной энергии переноса иода от ICl, NIS, NISAC, NBS и NCS к таким соединениям как H₂O, MeOH, H₂SO₄ в газовой фазе и в растворе метанола и CH₂Cl₂. Показано, что ICl в отличие от N-галоидимидов практически не передает иод в растворы с образованием активных частиц гипогалогенитного типа и должен выступать как "истинный" иодирующий агент. В то же время для NIS и особенно NISAC расчеты предсказывают значительную долю переноса иода.

Таким образом, благодаря термодинамически вероятным процессам образования трииодкатиона I₃⁺ и иодного обмена реагентов X-I с гидроксилсодержащими растворителями, реакционная способность большинства иодирующих агентов должна определяться не единственной структурой, а набором существующих в растворах электрофильных иодирующих частиц, соотношение которых должно зависеть от концентрации реагента, природы используемого растворителя и субстрата.

С целью количественного описания механизма ароматического иодирования, факторов реакционной способности субстратов, реагентов, и профилей поверхностей свободной энергии мы определили характеристики всех стационарных и переходных состояний реакций иодирования бензола в газовой фазе и в растворе метанола. Поскольку ароматическое хлорирование и иодирование являются двумя граничными случаями, проведено сопоставительное исследование обоих процессов. В качестве субстратов выбраны бензол и его монозамещенные производные, а в качестве иодирующих реагентов - указанные выше соединения со связями I-X и их протонированные формы, монокатион иода I⁺, и триоид-катион I₃⁺. Для сравнения рассматривалось хлорирование тех же субстратов молекулярным хлором и триплетным катионом Cl⁺ (уравнения 4, 5)

R = H, Me, t-Bu, OH, NH₂, NO₂

X-Y = Cl₂, ClI, HOI, MeOI, CH₃COOI, CF₃COOI, CF₃SO₂OI, HOSO₂OI, (NIS), NISAC, I⁺, I₃⁺.

Впервые теоретически определено влияние строения субстратов (C₆H₅R), реагентов (XY, XYH⁺) и полярности среды на термодинамику иодирования и хлорирования. Согласно полученным данным иодирование бензола термодинамически возможно всеми электронейтральными реагентами, но протонирование реагентов снижает константы равновесия вплоть до того, что иодирование действием IClH⁺ в неполярной среде становится термодинамически невыгодным (?G +5.88 ккал/моль). Возрастание полярности среды для всех реагентов несколько сдвигает равновесия вправо (?G_МеОН -3.65 ч -48 ккал/моль).

Обращает на себя внимание явная термодинамическая невыгодность непосредственного иодирования бензола действием I₃⁺ в газовой фазе и в растворе (?H 18.96, ?G 19.47, ?G_МеОН 14.57 ккал/моль), тогда как генерирование I₃⁺ оказывается термодинамически, как сказано выше, весьма выгодным. Причиной этого является образование в результате прямого иодирования чрезвычайно нестабильной частицы I₂H⁺. Однако, в присутствии более сильного акцептора протона, чем иод, например, метанола процесс оказывается вполне термодинамически осуществимым в неполярной и особенно полярной средах:

?H= -11.61; ?G= -9.37; ?G_МеОН= -55.17 ккал/моль

Иодирование в присутствии даже более слабого акцептора протона - серной кислоты показывает осуществимость реакции в полярных средах:

?H= 2.20; ?G= 4.51; ?G_МеОН= -19.61 ккал/моль.

Расчеты термодинамических параметров хлорирования и иодирования бензолов действием ICl и Cl₂ показали большую экзотермичность последних (примерно на 25 ккал/моль). Природа субстратов влияет на вычисленные термохимические параметры галогенирования в целом нерегулярным и малым образом, т.е. термохимические параметры реакций не коррелируют прямо с донорными и акцепторными свойствами заместителей R. В то же время, между величинами ?H хлорирования и иодирования бензолов имеет место приближенная линейная корреляция (r= 0.980; с 0.6), показывающая отсутствие явных специфических отличий между двумя реакциями галогенирования в газовой фазе. Однако влияние сольватационных факторов на термодинамику хлорирования и иодирования проявляется существенно различным образом, о чем говорит отсутствие связи между величинами ?G_МеОН для двух реакций галогенирования. Единая зависимость между электрофильностью изученных реагентов и теплотами реакций (?H, ?G,? ?G_МеОН) иодирования бензола отсутствует. В то же время в ограниченном ряду реагентов гипоиодитного типа X-O-I теплоты реакций иодирования закономерно возрастают с повышением их электрофильного характера, равно как и силы соответствующей кислоты X-OH.

Расчеты показывают, что в целом галогенирование протекает через следующие, ожидаемые для реакций S_E стадии (уравнение 8):

Однако при взаимодействии изученных аренов с такими заряженными электрофилами, как I⁺, IOH₂⁺ и Cl⁺, первой стационарной точкой оказываются соответствующие р -комплексы, в то время как незаряженные реагенты I₂, Cl₂, ICl, HOI, MeOI, CF₃COOI, NIS и I₃⁺ способны давать р-комплексы.

Полученные в результате расчетов структуры р -комплексов бензола разделяются на два класса - I₂, Cl₂, ICl, CF₃COOI, NIS и I₃⁺, координируя преимущественно с одним атомом углерода бензольного ядра (рис. 3.1а), а гипоидиты IOH и IOMe координируют с двумя соседними С-атомами (рис. 3.1б). При этом прочности комплексов второго типа ниже, чем первого.



Размещено на http://www.allbest.ru/

(а) (б)

Рис. 3.1. Схематические структуры р- комплексов бензола с I₂, Cl₂, ICl, CF₃COOI, NIS, I₃⁺ (а) IOH и IOMe (б)

Показано, что ориентирующие эффекты заместителей в ряду бензолов при их взаимодействии с ICl проявляются уже на стадии образования р -комплексов. Так, получающиеся в результате оптимизации структуры предсказывают, что наиболее стабильные комплексы образуются при координации ICl в орто- и пара-положения анилина и фенола и - в мета-позицию нитробензола. Это служит важным аргументом в пользу представлений о том, что р-комплексы являются истинными интермедиатами галогенирования, т.е. лежат на маршруте реакции. В общем ряду изученных р-комплексов наблюдается закономерное возрастание их прочности с увеличением электронодонорных свойств ароматических субстратов, и для комплексов с пара- и мета-координацией имеет место удовлетворительная линейная корреляция величин ?H^compl с у _p,m-константами заместителей (r=0.984). В согласии с теорией донорно-акцепторных взаимодействий прочности изученных комплексов возрастают с падением энергий низших вакантных молекулярных орбиталей (НВМО) акцепторов и имеет место хорошая линейная корреляция между ?H^compl и Е_НВМО.

...