.RU

Синтез и свойства реагентов на основе поливалентного иода, соответствующих концепции «зеленая» химия


На правах рукописи


ФУНК ТАТЬЯНА ВАЛЕРЬЕВНА


СИНТЕЗ И СВОЙСТВА РЕАГЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИВАЛЕНТНОГО ИОДА, СООТВЕТСТВУЮЩИХ КОНЦЕПЦИИ «ЗЕЛЕНАЯ» ХИМИЯ


Специальность 02.00.03 - органическая химия


Автореферат
диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук



Томск 2009
Работа выполнена на кафедре органической химии и технологии органического синтеза ГОУ ВПО «Томский политехнический университет» и кафедре химии ГОУ ВПО «Сибирский государственный медицинский университет»


Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Юсубов Мехман Сулейманович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Филимошкин Анатолий Георгиевич

кандидат химических наук, доцент Сиянко Петр Иванович

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

(г. Барнаул)


Защита состоится «24» июня 2009 г. в 14 ч 30 мин на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.04 при Томском политехническом университете по адресу: 634050, Томск, пр. Ленина 43а, 2-й корпус ТПУ, Малая химическая аудитория


С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке Томского политехнического университета по адресу 634034, г. Томск, ул. Белинского, 55


Автореферат разослан « » мая 2009 г.


Ученый секретарь совета по защите

докторских и кандидатских диссертаций

кандидат химических наук, доцент Гиндуллина Т.М.

^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы исследования определяется тем, что соединения поливалентного иода (СПИ) занимают ключевое место среди реагентов органического синтеза. Уникальность данных реагентов заключается в том, что они участвуют в окислительных процессах с образованием С-С- и С-Х-связей, где Х = О, N, S, Se, F, Cl, Br, I и т.д. Особенно впечатляющими являются трансформации с использованием органических соединений иода в III и V валентных состояниях. Интерес органической химии к этим соединениям подтверждается тем, что только за последние 10 лет им посвящено более 30 обзоров и 10 книг. Таким образом, СПИ являются одними из популярных реагентов органического синтеза.

Ограничением широкого использования СПИ являются трудности, связанные с их доступностью, устойчивостью и удобством использования. В большинстве случаев применяемые реагенты представляют собой окисленные формы иодбензола (диацетоксииодобензол (ДИБ), дихлориодобензол, иодозилбензол, реагенты Koser и Зефирова и т.д.). Следовательно, взаимодействие этих реагентов с органическими субстратами сопровождается образованием их восстановленной формы, т.е. иодбензола. Это вносит определенные осложнения в извлечении его из реакционной среды вследствие высокой растворимости в большинстве органических растворителей.

Таким образом, становится актуальным синтез и изучение препаративных возможностей легко извлекаемых и регенерируемых реагентов с требуемой окислительной активностью. Легкость извлечения, с нашей точки зрения, может реализовываться в связывании восстановленной формы с помощью полимерных матриц. И тогда простейшим фильтрованием можно получить конечные продукты, не загрязненные остатками реагента и его восстановленной формой.

Цели работы:

1. Синтез соединений поливалентного иода и создание на их основе практичных и удобных реагентов с принципиальной возможностью многократного использования и значительным увеличением их доступности, отвечающих требованиям, предъявляемым «зеленой» химией.

2. Поиск простых и экологически безопасных методов синтеза водорастворимых мономерных и олигомерных соединений поливалентного иода и исследование химических свойств полученных соединений поливалентного иода в соответствии с концепцией «зеленой» химии.

Научная новизна работы:

  1. На примере м-иодозобензойной кислоты продемонстрирован полный цикл окислительно-восстановительных процессов, основанных на принципе «зеленой» химии. Показано, что м-иодозобензойная кислота является эффективным реагентом иодирования, тозилоксилирования и мезилоксилирования кетонов, перегруппировки амидов в амины при соблюдении основных принципов «зеленой» химии. Во всех случаях остатки непрореагировавшего реагента и его восстановленной формы легко извлекаются из реакционной среды, и продукты реакции имеют ЯМР-ную чистоту без дополнительной очистки.

  2. На основе м-иодозобензойной кислоты были синтезированы два новых производных поливалентного иода – 3-[бис(трифторацетокси)иодозо]бензойная и 3-[гидрокси(тозилокси)иодозо]бензойная кислоты, отвечающих требованиям «зеленой» химии. Эти реагенты показали сходную реакционную способность с простейшими аналогами, но в отличие от них обладают способностью к рециклу, что продемонстрировано на примере реакций иодирования аренов, тозилоксилирования кетонов, окисления сульфидов и перегруппировки амидов.

  3. Изучена реакционная способность олигомерного водорастворимого производного иодозобензола – иодозил сульфата (PhIO)3·SO3, синтезированного на основе доступного диацетоксииодобензола и гидросульфата натрия в условиях «solvent-free» и водной среде. На примере окислительной перегруппировки алкенов до карбонильных соединений и окисления сульфидов до сульфоксидов в водной среде и без растворителя показана синтетическая привлекательность данного реагента, также отвечающего принципам «зеленой» химии.

  4. В практику органического синтеза введены два водорастворимых реагента поливалентного иода на основе п-иодбензолсульфокислоты. Полученные производные (+ 3, + 5) хорошо растворимы в воде и легко отделяются от продуктов реакции с использованием полимерного анионита типа Amberlit IRA 900 OH−-формы. Препаративные возможности данных реагентов изучены в реакциях перегруппировки амидов, окисления спиртов, которые были осуществлены в среде «зеленого» растворителя – воды.

Практическая значимость:

В практику органического синтеза введены реагенты на основе поливалентного иода, отвечающие принципам экологически чистой химии. Три реагента – 3-[бис(трифторацетокси)иодозо]бензойная и 3-[гидрокси(тозилокси)иодозо]бензойная кислоты, а также 4-иодилбензолсульфокислота синтезированы впервые. Данные соединения обладают принципиальным отличием от большинства известных реагентов поливалентного иода: они доступны, высоко реакционноспособны, легко отделяются от продуктов реакции, реакции протекают в водной среде или без растворителя, для большинства продуктов реакции не требуется дополнительная очистка. Практическая значимость данных реагентов продемонстрирована в синтезе иодкетонов, -сульфонилоксикетонов, сульфоксидов, карбонильных соединений, анилинов с высокими выходами. Полученные результаты являются важными для фундаментальных основ экологически чистых химических технологий.

Апробация работы. Отдельные части работы докладывались и обсуждались на 2-й международной конференции по поливалентному иоду (Thessaloniki, Greece, 2006 г.); международной конференции по органической химии: «Органическая химия от Бутлерова и Бейльштейна до современности» (Санкт-Петербург, 2006 г.); всероссийской научной конференции «Современные проблемы органической химии» (Новосибирск, 2007 г.); VIII всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 1 статья, 2 доклада и тезисы 2 докладов.

Объем и структура работы. Работа изложена на 103 страницах, содержит 3 рисунка и 8 таблиц. Состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы из 147 наименований. Глава 1 представляет литературный обзор по экологически «дружественным» реагентам на основе соединений поливалентного иода и их применению в органическом синтезе, а также общих подходов в области «зеленой» химии. В последующих главах излагаются и обсуждаются результаты собственных исследований автора.

Результаты работы, положения и выводы достоверно подтверждены современными физико-химическими методами исследования (хромато-масс-спектрометрия, ЯМР-, ИК-, УФ-спектроскопия) и сравнением характеристик полученных соединений с аутентичными образцами.

Защищаемые положения: Три новых реагента поливалентного иода – 3-[бис(трифторацетокси)иодозо]бензойная и 3-[гидрокси(тозилокси)иодозо] бензойная кислоты и 4-иодилбензолсульфокислота. Разработка схемы рецикла реагентов на основе м-иодбензойной кислоты и 4-иодбензолсульфокислоты. Синтетическое применение экологически чистых реагентов поливалентного иода в реакциях окисления, иодирования, перегруппировки.


^ Основное содержание работы


1. м-Иодозобензойная кислота – легко регенерируемый реагент поливалентного иода

Ранее на кафедрах ОХОС ТПУ и химии СибГМУ была разработана новая концепция синтеза соединений поливалентного иода, обладающих свойствами реагентов на полимерной подложке. Суть данной концепции заключается в том, что в качестве исходного вещества для синтеза выбираются соединения, которые в дальнейшем легко выводятся из реакционной массы без использования дополнительных методов очистки (схема 1) с использованием ионобменной смолы Amberlite IRA 900 (гидроксильная, карбонатная форма). Все это позволяет легко регенерировать восстановленную форму соединения поливалентного иода и снова вовлекать в окислительный процесс. Такая циклическая схема укладывается в современную концепцию «Зеленая» химия. В качестве исходного вещества была выбрана м-иодбензойная кислота (1).

Расширение препаративных возможностей этого уникального реагента явилось одной из наших задач. Интересным было исследовать данный реагент в синтезе соединений, получение которых с использованием других реагентов на основе СПИ сопряжено с определенными трудностями, связанными с их стабильностью, лабильностью и другими факторами.


Схема 1. Принципиальная схема синтеза, применения и регенерации м-иодозобензойной кислоты




^ 1.1. Перегруппировка амидов с использованием м-иодозобензойной кислоты

Нами был найден простой способ получения замещенных анилинов в результате перегруппировки различных бензамидов. Так в смеси CH3CN-H2O (5:1) при комнатной температуре были получены анилины как с донорными так и с электроноакцепторными заместителями в ароматическом кольце с выходами 55-87 % (таблица 1). Также был получен бензиламин (6и) из фенилацетамида (5и) с выходом 82 %. Следует отметить, что добавки п-толуолсульфокислоты (1.2 экв. к 1 экв. реагента 3) ускоряли процесс. Реакция протекает в мягких условиях, без использования дополнительных мер защиты амино-группы. Выделяющаяся в ходе реакции м-иодбензойная кислота легко отделяется от продукта реакции в соответствии со схемой 2, в реакционную массу добавляли при охлаждении Amberlite IRA 900 в виде НСО3−-формы и фильтрованием отделяли от целевых анилинов 6(а-з).

^ Схема 2. Перегруппировка амидов при действии м-иодозобензойной кислоты (3)



Таблица 1. Перегруппировка амидов действием м-иодозобензойной кислоты

R

Время, мин.

Выход, %

п-NO2 (6а)

30

87

п-F (6б)

30

74

м-NO2 (6в)

30

73

п-Cl (6г)

20

84

п-Br (6д)

20

78

2,4-Cl2 (6е)

20

83

м-OCH3 (6ж)

90

56

о-CONH2 (6з)

30

55

Следует отметить, что приведенные препаративные выходы большинства анилинов ниже, чем выходы их аммонийных солей. Причина в том, что при переводе из протонированной формы в оснóвную имело место незначительное осмоление, характерное для анилинов.

Таким образом, нами разработан простой и удобный метод синтеза анилинов и бензиламина из амидов с использованием м-иодозобензойной кислоты (3). В отличие от случая использования реагента Koser, где для отделения иодбензола необходима колоночная хроматография, в нашем случае были получены хроматографически чистые амины.


^ 1.2. α-Иодирование кетонов с применением м-иодозобензойной кислоты

Мы нашли простой и удобный способ α-иодирования кетонов 7(а-т) действием молекулярного иода в присутствии м-иодозобензойной кислоты (3) в CH3CN при 20-60 °C за 0.5-24 часа в присутствии каталитических количеств серной кислоты. Целевые α-иодкетоны 8(а-т) с выходами 63-95% имели ЯМР-ную чистоту (таблица 2).



Таблица 2. α-Иодирование кетонов м-иодозобензойной кислотой

Субстрат

Продукт

Время, ч.

Выход, %



(7а)



(8а) (8а´)

3

79



(7б)



(8б) (8б´)

2

91

(7в)



(8в) (8в´)

3

82

(7г)

(8г)

2

62

(7д)

(8д)

8

74

(7е)

(8е)

7

79

(7ж)

(8ж)

4

70

(7з)

(8з)

5

84

(7и)

(8и)

3

92

(7к)

(8к)

1

86

(7л)

(8л)

1

94

(7м)

(8м)

3

97а

(7н)

(8н)

3

91

(7о)

(8о)

1

66

(7п)

(8п)

0.5

86

(7р)

(8р)

0.5

95

(7с)

(8с)

0.5

98

(7т)

(8т)

24

81

аиспользовали диацетоксииодобензол в качестве окислителя

Иодирование как симметричных, так и несимметричных алифатических кетонов приводило к образованию смеси иодпроизводных (8а, 8а´, 8б, 8б´, 8в, 8в´). В первом случае имело место образование смеси двух моноиодпроизводных, а во втором случае смеси моно- и дииодпроизводных. В тоже время, в случае циклогексанона (7г), циклопентанона (7д), и арилсопряженных кетонов (7е, 7ж, 7р, 7с) были получены только моноиодпроизводные с высокими выходами 62-92 %.

Иодирование 1,3-дикетонов протекало при комнатной температуре почти с количественными выходами 86-98 %. В случае 1-фенилбутандиона-1,3 (7р) в CH3CN и MeOH реакция протекала не селективно с образованием двух продуктов. Только в CH2Cl2 нам удалось достичь необходимой селективности, и с выходом 95 % было получено моноидпроизводное (8р). В случае метил-2-оксоциклопентанкарбоксилата (7п) мы столкнулись с тем, что продукт реакции имел низкую стабильность, и при контакте с силикагелем и в длительном хранении в ампуле для снятия спектра ЯМР имело место деиодирование. Нам удалось получить только спектры ПМР, в то же время спектры ЯМР 13С представляли собой смесь исходного соединения и иодпроизводного. Наш успех связан в данном случае с тем, что мы используем легко регенерируемый реагент и тем самым ускоряем процесс выделения целевого продукта от других компонентов смеси и исключаем использование силикагеля.

Другой проблемой при иодировании явилось то обстоятельство, что иодпроизводные легко енолизируемых циклических дикетонов, таких как димедон (7м) и его изомер, образовывали устойчивые соли с Amberlite IRA 900 НСО3−. Для получения иопроизводного димедона мы использовали ДИБ и иодкетон отделяли от иодбензола отгонкой под вакуумом. В то же время, в случае 2-иод-2-метилциклогександиона-1,3 (8н), у которого нет возможности существовать преимущественно в енольной форме, иодпроизводное было получено с высоким выходом с использованием м-иодозобензойной кислоты.



Все попытки -иодирования 2-ацетилтиофена (7т) привели только к иодированию по ароматическому кольцу. При использовании соотношения субстрат-реагент – 1:2.5 удалось получить продукт дииодирования (8т).



В случае использования Amberlite IRA 900 HO− протекали реакции нуклеофильного замещения, элиминирования и т. п. с образованием сложной смеси продуктов. Также оказался важным контроль температуры реакционной смеси при добавлении Amberlite IRA 900 HCO3−, лучшие результаты были получены при охлаждении до 5 °С.

Еще одной существенным преимуществом предлагаемого нами подхода является то обстоятельство, что остатки не прореагировавшего иода легко адсорбируются на поверхности Amberlite IRA 900, и тем самым не требуется использование тиосульфата или других серосодержащих восстановителей.

В тоже время, в случае ряда кетонов (9-14), имеющих вторичные и третичные атомы углерода, конверсия не превышала 5 %. Причина, вероятнее всего, в стерическом влиянии заместителей на процесс иодирования. В тоже время с 2-метилциклогексаноном (13) и 4-метоксиацетофеноном (14) реакция протекала не селективно с образованием множества продуктов. В последнем случае наблюдалось образование продуктов иодирования и по ароматическому фрагменту кетона.



Таким образом, нами найден простой и удобный метод синтеза синтетически важных иодкетонов отвечающий основным требованиям «зеленой» химии. Полученные иодкетоны легко отделялись от всех примесей и имели ЯМР-ную чистоту без дополнительной очистки, и не наблюдалось их разложение на поверхности SiO2 и при действии света.


^ 1.3. α-Тозилоксилирование и α-мезилоксилирование с применением м-иодозобензойной кислоты

Мы нашли простой и эффективный метод α-тозилоксилирования и α-мезилоксилирования кетонов с использованием м-иодозобензойной кислоты (3) в CH3CN с добавлением п-толуолсульфокислоты. Мы предполагаем, что на первой стадии образуется аналог реагента Koser, который в дальнейшем участвует в тозилоксилировании кетона. Как и в предыдущих случаях, для удаления м-иодбензойной кислоты и остатков реагента 3 использовалась не гидроксильная форма Amberlite IRA 900 HO−, а карбонатная HCO3−. При использовании Amberlite IRA 900 HO− имели место схожие процессы, что и в случае иодкетонов.



Реакция с несимметричными алифатическими кетонами протекала не региоселективно с образованием смеси обоих изомеров, но преимущественно по метиленовому атому углерода (таблица 3).

Таблица 3. α-Тозилоксилирование и α-мезилоксилирования кетонов м-иодозобензойной кислотой

Кетон

Продукт, OTs/OMs

Т, °C

Время, ч

Выход, %

(15а)



(16а) R=OTs

60

1.0

67

(17а) R=OMs

60

1.0

53

(15б)



(16б)/

(16б´)

60

2.0

70

(7в)



(16в)/

(16в´)

60

2.0

75

(7г)



(16г)

к.т.

8

51

(17б)

к.т.

1.5

54

(7е)



(16д)

60

3.0

96

(17в)

60

2.0

84

(15в)



(16е)

60

6.0

81

(7т)



(16ж)

к.т.

5.0

88

(17г)

к.т.

13

84

(7з)



(16з)

80

2.0

77

(7к)



(16и)

к.т.

1.0

87

(17д)

к.т.

1.0

79

(7р)



(16к)

к.т.

1.0

88

(7с)



(16л)

к.т.

1.0

93

Не региоселективно протекал процесс тозилоксилирования несимметричных кетонов и с реагентом Koser и его аналогами. Соотношение изомеров в каждом случае было схожим с соотношением изомеров в случае реагента Koser. Со всеми другими кетонами тозилоксилирование и мезилоксилирование протекало селективно, с образованием единственного продукта и с высокими выходами. С 1,3-дикетонами, как и следовало ожидать, реакция протекала с высоким выходом при комнатной температуре. Продукты тозилоксилирования 4-гидроксиацетофенона, 4,4-диметилциклогександиона-1,3 и димедона нам не удалось отделить от Amberlite IRA 900 HCO3−, что является, несомненно, ограничением использования анионитов в случае легко енолизируемых циклических -дикетонов. 3-Ацетилпиридин в данных условиях вообще не тозилоксилировался, а 1-тетралон давал смесь нескольких продуктов, и процесс сопровождался осмолением реакционной массы.

Таким образом, м-иодозобензойная кислота является универсальным реагентом тозилоксилирования и мезилоксилирования кетонов и отвечает принципам «зеленой» химии. Все полученные продукты не содержали примеси остатков реагента, сульфокислот и м-иодбензойной кислоты, и тем самым они не требуют стандартных процедур очистки.


^ 1.4. Новые производные поливалентного иода на основе м-иодозобензойной кислоты

Выбирая м-иодозобензойную кислоту как исходное соединение для получения новых реагентов на основе СПИ, мы преследовали несколько целей. Во-первых, до сих пор не ясна истинная структура этого соединения. Все наши попытки и попытки других исследователей установить структуру с помощью рентгеноструктурного анализа (X-ray) не увенчались успехом из-за отсутствия кристаллической формы. Поэтому получение на основе м-иодозобензойной кислоты других реагентов СПИ поможет в установлении структуры этого реагента.



Во-вторых, как все иодозосоединения, м-иодозобензойная кислота представляет собой белый порошок, не растворимый во многих органических растворителях, плохо растворимый в воде и уксусной кислоте, что, безусловно, ограничивает более широкое его использование в органическом синтезе. Получение новых, более растворимых его производных позволит использовать эти СПИ в широком круге реакций. В третьих, препаративные возможности м-иодозобензойной кислоты ограничены по сравнению с трифторацетатами и аналогами реагента Koser. Таким образом, актуальным является синтез этих производных из данного реагента.

Нами были получены два новых производных м-иодозобензойной кислоты. При перемешивании реагента 3 с п-толуолсульфокислотой в ацетонитриле при комнатной температуре, в течение часа с выходом 83 % получена 3-[гидрокси(тозилокси)иодозо]бензойная кислота (18), которая является аналогом реагента Koser. Данная процедура является стандартной для получения реагента Koser из диацетатов. В то же время, в отличие от метода получения реагента Koser в нашем случае не требуется нагревание до кипения ацетонитрила. Возможно, в нашем случае имеет место не классический случай –I=O (соединение 3´) или полимерный аналог (3´´), а предполагаемая нами структура 3. Нами впервые была использована эта процедура для получения аналога реагента Koser из полимерного СПИ. В то же время легкость образования соединения 18 позволяет нам косвенно судить о том, что это иодозосоединение отличается от иодозобензола. Основываясь на этих данных, мы с большей уверенностью склонны к тому, что структура, приписываемая нами, более точно описывает структуру м-иодозобензойной кислоты, как гидроксикарбоксилата.

При кипячении в течение часа соединения ^ 3 в трифторуксусной кислоте была получена 3-[бис(трифторацетокси)иодозо]бензойная кислота (19) с выходом 92 %. Это стандартная процедура, используемая для синтеза трифторацетатов из карбоксилатов, в частности из диацетатов. В то же время эта процедура не характерна для иодозосоединений. Эти результаты также косвенно подтверждают существование м-иодозобензойной кислоты в гидроксикарбоксилатной форме.

По данным кристаллографического анализа геометрия 3-[бис(трифторацетокси)иодозо]бензойной и 3-[гидрокси(тозилокси)иодозо] бензойной кислот аналогична геометрии фенилиодозотрифторацетата и [гидрокси(тозилокси)иодозо]бензола (реагента Koser). Обе структуры имеют T-образную геометрию у атома иода. В трифторацетате 19 существует внутримолекулярное взаимодействие между атомом иода и кислородами карбоксильных групп O(4) и O(5) с расстояниями I(1)∙∙∙O(5) 3.146 Å и I(1)∙∙∙O(4) 3.030 Å (рис. 1). Длина связи I–OTs в тозилате 18 (2.437 Å) несколько длиннее связи I–OH (1.954 Å), что свидетельствует об ионном характере этого соединения. Значения длин связей и углов у центрального атома иода в 18 очень близки к соответствующим структурным параметрам для [гидрокси(тозилокси)иодозо]бензола. Слабая внутримолекулярная связь зафиксирована между атомом иода и одним из кислородов сульфогруппы соседней молекулы (2.931 Å) (рис.2).

Рисунок 1. Структура соединения 19 по

данным рентгеноструктурного анализа

Рисунок 2. Структура соединения 18 по данным рентгеноструктурного анализа





Особо хотелось отметить, что 3-[бис(трифторацетокси)иодозо]бензойная кислота является уникальным органическим соединением. Помимо нас, структуру этого СПИ исследовал шведский профессор Kristy Anderson (http://www.durham.ac.uk/zprime). Уникальность этого СПИ заключается в том, что в кристаллической ячейке этого соединения содержатся 5 независимых молекул (Z´ = 5).

Реакционная способность новых соединений оказалась схожей с таковой для фенилиодозотрифторацетата и реагента Koser, но с принципиальным отличием возможности рецикла. На схеме приведены некоторые трансформации с применением новых реагентов: превращение замещенных бензамидов в соответствующие анилины, α-тозилоксилирование кетонов, окисление сульфидов до сульфоксидов и окислительное иодирование аренов.

^ Схема 3. Типичные реакции новых производных иодозобензойной кислоты 18 и 19



Таким образом, полученные нами результаты демонстрируют препаративные возможности м-иодозобензойной кислоты как «зеленого» реагента. Все полученные продукты реакции легко отделялись от примесей и получались с ЯМР-ной чистотой. Синтетические возможности нами были исследованы на важных для органического синтеза реакциях: перегруппировке амидов в амины по типу Гофмана, функционализации кетонов в α-сульфонилокси- и α-иодпроизводные. Разработан простой и доступный метод синтеза двух новых реагентов на основе СПИ.


^ 2. Синтетическое применение системы диацетоксииодобензол – гидросульфат натрия в воде

Ранее М.С. Юсубов и В.В. Жданкин показали, что при растирании в ступке ДИБ с NaHSO4·H2O получается аналог реагента Koser, который после растворения в воде приводит к образованию полимерного СПИ (22) (PhIO)3SO3.

Нами исследована эта реакция, и было установлено, что данный полимерный СПИ образуется in situ в воде или смеси ацетонитрил-вода. В рамках задачи по расширению препаративных возможностей получаемого in situ (PhIO)3SO3 мы исследовали реакцию окисления сульфидов до сульфоксидов и реакцию окислительной перегруппировки алкенов в карбонильные соединения.



Окисление сульфидов нами исследовалось в широком ряде субстратов, как на диалкилсульфидах, так и на алкиларилсульфидах. Как видно из таблицы 4, мы провели эти исследования как в условиях «solvent-free», так в среде «зеленого» растворителя – воды. В некоторых случаях нами использовался и смесь CH3CN-Н2О.



Большинство арилсопряженных сульфидов окислялись с высокими выходами во всех исследуемых условиях. В случае аллилфенилсульфида (23д) в CH3CN-Н2О была получена смесь продуктов, и только в воде процесс был более селективным. Схожим образом окислялся и 2-(фенилтио)ацетонитрил (23г): только в воде с умеренным выходом был получен целевой сульфоксид (24г). Было установлено существенное отличие между 3-нитротиоанизолом (23н) и 4-нитротиоанизолом (23л). Окисление 3-нитротиоанизола протекало с сильным осмолением, и только проводя процесс в ступке, удалось с выходом 47 % получить соответствующий сульфоксид (24н). В то же время 4-нитротиоанизол окислялся с высокими выходами в смеси CH3CN-Н2О и в ступке. В воде скорость реакции была невысокая из-за низкой растворимости исходного сульфида. Сложным образом протекало окисление 2-(4-хлорфенилтио)уксусной кислоты (23к). В CH3CN-Н2О методом ТСХ было обнаружено образование множества продуктов неустановленной структуры. В воде процесс окисления был более селективным, но с низкой конверсией, в ступке окисление не наблюдалось.

Окисление диоктилсульфида (23о) протекало с высоким выходом при растирании в ступке и в смеси CH3CN-Н2О. В то же время в воде скорость реакции была чрезвычайно низка из-за плохой растворимости данного сульфида. В случае ди-трет-бутилсульфида (23е) и тетрагидро-2Н-тиопирана (23з) нам не удалось осуществить реакцию в ступке из-за резкого и неприятного запаха данных судьфидов. В воде реакция при комнатной температуре имела также низкую скорость, и только в смеси CH3CN-Н2О нам удалось осуществить окисление с умеренным выходом. 2-Метилтиоэтанол (23ж) окислялся в CH3CN-Н2О с образованием побочных продуктов. В воде реакция протекала почти количественно, но из-за хорошей растворимости продукта реакции нам не удалось полностью извлечь целевой сульфоксид. Проведение процесса в условиях «solvent-free» при растирании в ступке позволило получить сульфоксид (24ж) с выходом 82 %.


Таблица 4. Окисление сульфидов действием (PhIO)3SO3

Субстрат

Продукт

MeCN-H2O, 5:1

H2O

Твердая фаза

Время,

мин

Выхода,

%

Время,

мин

Выхода,

%

Время,

мин

Выхода,

%

(23а)

(24а)

10

86

1.25

88

1.0

93

(23б)

(24б)

15

98

1.0

96

1.0

99

(23в)

(24в)

5.0

67

1.75б

88

1.0

89

(23г)

(24г)





2.0

45





(23д)

(24д)





3.0

66

1.0

68

(23е)

(24е)

0.5

47

0.5

47





(23ж)

(24ж)





1.25

47

1.0

82

(23з)

(24з)

1.30

46

1.30

46





(23и)

(24и)





5.0

80

1.0

90

(23к)

(24к)





3.0д

19





(23л)

(24л)

360

84





5.0

90

(23м)

(24м)

10

92





3.0

94

(23н)

(24н)









5.0

47

(23о)

(24о)

20

97





2.0

95

а выходы индивидуально выделенных продуктов, б реакция при 0 °C, в нет данных, г реакция протекала очень медленно, д реакция при 90 °C, е наблюдалось осмоление

Нами показано, что реагент 22, получаемый in situ, является эффективным в реакции окислительной перегруппировки ряда непредельных соединений (таблица 5). Реакция окисления проводилась в смеси CH3CN-Н2О и в условиях «solvent-free». Низкая растворимость алкенов в воде увеличивала продолжительность процесса и приводила к образованию побочных продуктов переокисления. Как видно из таблицы 5, в случае арилсопряженных алкенов реакция протекала с высокими выходами и с примерно близкими выходами, как при использовании растворителя, так и в его отсутствие. Окислительная перегруппировка циклоалкенов приводила к сужению цикла с образованием карбонилсодержащих производных циклопентана. Эта реакция, несмотря на умеренные выходы, заслуживает особого внимания, т. к. эти карбонильные соединения сложно получить другими синтетическими путями.

Таблица 5. Функционализация непредельных соединений системой ДИБ-NaHSO4

Субстрат

Продукт

Условия

Выход, %

(25а)

(26а)

25 °C, 4.5 ч,

CH3CN: H2O

78


25 °C, 10 мин,

растирание

91


(25б)

(26б)

25 °C, 30 мин,

CH3CN: H2O

93


25 °C, 10 мин,

растирание

87


(25в)

(26в)

25 °C, 10 мин,

растирание

83


(25г)

(26г)

25 °C, 2 ч,

CH3CN: H2O

39


25 °C, 10 мин,

растирание

39


(25д)

(26д)

25 °C, 10 мин,

CH3CN: H2O

40


25 °C, 10 мин,

растирание

45


Таким образом, мы расширили препаративные возможности полимерного реагента поливалентного иода (PhIO)3SO3 в реакциях окисления сульфидов и алкенов. В какой-то степени полученные нами результаты расширили и препаративные возможности ДИБ, как одного из наиболее популярных реагентов поливалентного иода. Проведение реакций в условиях «solvent-free» и в воде также укладываются в современную концепцию «зеленой» химии.


^ 3. п-Иодилбензолсульфокислота – новый водорастворимый реагент поливалентного иода

В рамках задачи по получению водорастворимых соединений поливалентного иода и возможности их применения в органическом синтезе в соответствии с принципами «зеленой» химии были синтезированы из п-иодбензолсульфокислоты (27) два производных: п-иодозобензолсульфокислота (28) и п-иодилбензолсульфокислота (29). Соединение 28 было получено по модифицированному нами методу из п-иодбензолсульфокислоты (27) окислением 40 %-ным раствором надуксусной кислоты при − 20 °C. п-Иодилбензолсульфокислота (29) нами была получена впервые окислением п-иодбензолсульфокислоты (27) OXONE в водной среде при 60 °С. В то же время, при растворении соединения 28 в 5%-ном водном растворе NaНСО3 протекала реакция диспропорционирования с образованием смеси п-иодбензолсульфокислоты (27) и п-иодилбензолсульфокислоты (29).



Препаративные возможности реагента (29) мы исследовали на перегруппировке амидов в анилины по типу Гофмана, α-метоксилировании кетонов и окислении спиртов.

Перегруппировка амидов нами проводились в 5%-ном водном растворе NaHCO3 при комнатной температуре. В отличие от м-иодозобензойной кислоты (3), в данном случае получались анилины не в виде аммонийных солей и легко отделялись простым фильтрованием. Но в то же время удовлетворительные выходы анилинов были получены только в случае мета- и пара-нитроанилинов. В случае галогенсодержащих анилинов выходы были умеренными, несмотря на полную конверсию амидов. Причина низких выходов заключается в том, что целевые амины осмолялись.



^ Таблица 6. Перегруппировка различных амидов действием п-иодилбензолсульфокислоты 29

R

Время, мин.

Выход, %

п-NO2 (6а)

40

73

п-F (6б)

120

40

м-NO2 (6в)

40

62

п-Cl (6г)

180

45

п-Br (6д)

300

52

2,4-Cl2 (6е)

180

48

В случае бензамидов с донорными заместителями происходило осмоление реакционной массы. Диамид фталевой кислоты (^ 5з) в течение 5 часов давал смесь двух продуктов – о-фенилендиамина (6з) и о-аминобензамида (6з´).

Реакция перегруппировки в водной среде протекала медленнее, чем в слабощелочной. Нам не удалось избежать осмоления анилинов в момент выделения после подщелачивания.

Функционализация кетонов реагентом 29 также осуществлялась в щелочной среде в метаноле при 70 °C с образованием α-метоксилированных продуктов (таблица 7). Действие реагента 29 отличается от ранее изученного процесса в присутствии иодозобензола, в результате окисления которым енолизированных кетонов образуются диметоксигидрокси производные.



^ Таблица 7. α-Метоксилирование кетонов действием п-иодилбензолсульфокислоты (29) в метаноле

Кетон

Продукт

Время, ч

Выход, %

(7е)

(31а)

9

78

(7ж)

(31б)

5

79

(30а)

(31в)

8

81

(7г)

(31г)

12

47

(15а)

(31д)

5

41

Как видно из таблицы 7, арилалкилкетоны метоксилировались с высокими выходами, и продукты реакции после отделения от примесей реагента и его восстановленной формы имели ЯМР-ную чистоту. В то же время с алкилкетонами выходы были умеренными, и для очистки продуктов реакции все же потребовалось использование колоночной хроматографии.

Мы также исследовали реакцию окисления первичных и вторичных спиртов п-иодилбензолсульфокислотой (29) в 5%-ном водном растворе NaHCO3 при комнатной температуре при добавлении каталитических количеств RuCl3. В отличие от м-иодозобензойной кислоты (3), в этом случае первичные спирты окислялись не до альдегидов, а до карбоновых кислот, что усложняло их отделение от остатка реагента и его восстановленной формы. В то же время окисление вторичных спиртов приводило только к соответствующим кетонам с высокими выходами.



^ Таблица 8. Окисление спиртов действием п-иодилбензолсульфокислоты (29) в воде

Субстрат

Продукт

Время, ч

Выход, %

(32а)

(2)

1.0

94

(32б)

(33а)

2.0

93

(32в)

(33б)

2.0

74

(32г)

(33в)

1.0

92

(32д)

(33г)

10

92

(32е)

(33д)

10

89

(32ж)

(33е)

8.0

92

Таким образом, нами синтезировано новое водорастворимое соединение поливалентного иода – п-иодилбензолсульфокислота. Изучены препаративные возможности этого реагента в водной среде. Показано, что этот реагент более активен в реакции с амидами и спиртами, чем м-иодозобензойная кислота. Другой особенностью этого реагента является его способность растворяться в воде, что позволяет отнести его к числу редких СПИ. С нашей точки зрения, оба этих реагента, п-иодозобензолсульфокислота и п-иодилбензолсульфокислота, заслуживают более пристального внимания, как перспективные водорастворимые СПИ.


Выводы

  1. Синтезированы новые реагенты поливалентного иода 3-[гидрокси(тозилокси)иодозо]бензойная кислота и 3-[бис(трифторацетокси)иодозо]бензойная кислота. Изучена их синтетическая ценность в реакциях иодирования, окисления, тозилоксилирования. С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что в кристаллической ячейке 3-[бис(трифторацетокси)иодозо]бензойной кислоты содержатся 5 независимых молекул (Z´ = 5).

  2. Исследованы препаративные возможности м-иодозобензойной кислоты в реакциях окислительной перегруппировки амидов, иодирования и сульфонилоксилирования кетонов. Показано, что в исследуемых реакциях это СПИ обладает очевидным преимуществом, заключающемся в легкости отделения восстановленной формы реагента от продуктов окислительных превращений. В случае иодирования кетонов при использовании Amberlite IRA 900 HCO3− из реакционной массы удаляются и излишки иода.

  3. Изучена окислительная способность олигомерного иодозилбензол сульфата, генерируемого in situ в воде, в смеси ацетонитрил-вода и в условиях «solvent-free». В случае окисления сульфидов до сульфоксидов показана возможность проведения процесса не только в условиях «solvent-free», но и среде «зеленого» растворителя – воды. В то же время окислительная перегруппировка алкенов была эффективна в условиях «solvent-free» и в смеси CH3CN:H2O.

  4. Предложен новый водорастворимый «зеленый» реагент поливалентного иода – п-иодилбензолсульфокислота. На примере перегруппировки амидов до анилинов, вторичных спиртов до кетонов и -метоксилирования кетонов показаны препаративные возможности данного СПИ. В первых двух случаях реакция проводится в среде «зеленого» растворителя – воды.


^ Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Yusubov M.S., Funk T.V., Chi K.-W., Cha E.-H., Kim G.H., Kirschning A., Zhdankin V.V. Preparation and X-ray structures of 3-[bis(trifluoroacetoxy)iodo]benzoic acid and 3-[hydroxy(tosyloxy)iodo]benzoic acid, new recyclable hypervalent iodine reagents. // J. Org. Chem., 2008, 73, 295-297.

2. Yusubov M.S., Funk T.V., Zhdankin V.V., Koposov A.Y., Wirth T. New synthetic applications of (diacetoxyiodo)benzene. // Proceedings of 2nd International Conference on Hypervalent Iodine, Thessaloniki, Greece, June, 1-2, 2006, 75-77.

3. Юсубов М.С., Функ Т.В., Жолобова Г.А., Zhdankin V.V., Wirth T. Реакции в условиях solvent-free с реагентами на основе поливалентного иода. // Материалы международной конференции по органической химии: “Органическая химия от Бутлерова и Бейльштейна до современности”, Санкт-Петербург, 26-29 июня, 2006, 683.

4. Юсубов М.С., Функ Т.В., Гильмханова М.П., Жолобова Г.А., Дрыгунова Л.А., Юсубова Р.Я. Синтез и применение соединений поливалентного иода. // Материалы всероссийской научной конференции “Современные проблемы органической химии”, Новосибирск, 5-9 июня, 2007, 42.

5. Функ Т.В., Жолобова Г.А., Юсубов М.С. 3-Иодозобензойная кислота – практичный и удобный реагент для синтеза α-тозилоксилированных кетонов и анилинов. // Тезисы VIII всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов “Химия и химическая технология в XXI веке”, Томск, 14-15 мая, 2007, 177.

sostoyanie-biologicheskogo-raznoobraziya-zasushlivih-i-subgumidnih-zemel-tendencii-v-etoj-oblasti-i-osnovnie-faktoriugrozi.html
sostoyanie-bolnogo-posle-stentirovaniya.html
sostoyanie-detalej-cpg-i-prichini-ih-defektov-spravochniki-po-diagnostike-i-remontu-dizelnih-dvigatelej.html
sostoyanie-finansirovaniya-publichnij-doklad.html
sostoyanie-i-dinamika-prestupnosti.html
sostoyanie-i-ohrana-rastitelnogo-i-zhivotnogo-mira-programma-socialno-ekonomicheskogo-razvitiya-mendeleevskogo-municipalnogo.html
  • kanikulyi.bystrickaya.ru/yuvenalnaya-yusticiya-spasenie-ili-ugroza-dlya-semi-17-18-maya-2011-goda-v-g-kazani-proshel-sezd-associacii-roditelskih.html
  • essay.bystrickaya.ru/dejstvie-trete-komediya-v-chetireh-dejstviyah-v-stihah.html
  • znanie.bystrickaya.ru/4-soderzhanie-lekcionnogo-kursa-rabochaya-programma-po-discipline-sd-04-tehnologiya-shvejnih-izdelij-dlya-specialnosti.html
  • write.bystrickaya.ru/etika-i-psihologiya-delovogo-obsheniya.html
  • bukva.bystrickaya.ru/programmnie-sredstva-internet-chast-4.html
  • shkola.bystrickaya.ru/primernaya-programma-obuchenie-sootvetstvuyushih-grupp-naseleniya-po-novim-programmam-organizovat-s-2007-g.html
  • assessments.bystrickaya.ru/effektivnost-ispolzovaniya-logoritmiki-u-detej-starshego-doshkolnogo-vozrasta.html
  • lesson.bystrickaya.ru/reorganizaciya-radiostancii-7-etazh-v-gorode-angarske.html
  • obrazovanie.bystrickaya.ru/programma-kompleksnogo-socialno-ekonomicheskogo-razvitiya-mishkinskogo-rajona.html
  • lecture.bystrickaya.ru/8-ponyatie-arhitekturi-i-principi-ustrojstva-vichislitelnih-sistem-1-semestr.html
  • teacher.bystrickaya.ru/glava-5-s-chego-bi-ya-nachal-postroenie-nauki-garald-gefding-shevcov-a-a-samopoznanie-i-subektivnaya-psihologiya.html
  • znanie.bystrickaya.ru/9-nacionalnie-osobennosti-makroekonomiki-v-ukraine-makroekonomika.html
  • tests.bystrickaya.ru/metodicheskie-rekomendacii-po-organizacii-i-provedeniyu-samostoyatelnoj-raboti-studentov-po-kursu-ekonomicheskaya-teoriya-specialnost-080507-menedzhment-organizacii.html
  • school.bystrickaya.ru/lizing-ponyatie-pravovoe-regulirovanie-mezhdunarodnaya-unifikaciya-chast-7.html
  • spur.bystrickaya.ru/mesto-i-vremya-proizvodstva-ekspertizi-otchet-o-nauchno-issledovatelskoj-rabote-pravovaya-osnova-gosudarstvennoj.html
  • ucheba.bystrickaya.ru/posobie-dlya-pedagogov-uchrezhdenij-socialnoj-zashiti-naseleniya-i-organizatorov-dosuga-detej-i-molodezhi-moskva-2006-stranica-2.html
  • knigi.bystrickaya.ru/ris-387-ocenka-blizosti-linii-trenda-k-eksperimentalnoj-krivoj-computer.html
  • reading.bystrickaya.ru/kompleks-uslug-planiruete-li-vi-kurs-spa-procedur-ili-romanticheskoe-uedinenie-pri-oplate-kartoj-visa-k-vashim-uslugam.html
  • obrazovanie.bystrickaya.ru/predvoshishaya-istinnie-zhelaniya-potrebitelej.html
  • write.bystrickaya.ru/glava-i-chto-takoe-zdorove-dzhenis-presser-gejl-sforza-bryuer-grudnoe-vskarmlivanie.html
  • lektsiya.bystrickaya.ru/poyasnitelnaya-zapiska-k-programme.html
  • occupation.bystrickaya.ru/mozhet-bit-odna-iz-padayushih-zvezd-stranica-8.html
  • kolledzh.bystrickaya.ru/7publikaciya-osnovnih-rezultatov-disertacii-dissertaciya-mozhet-bit-predstavlena-v-vide-rukopisi-opublikovannoj.html
  • portfolio.bystrickaya.ru/ooo-chernozemnij-institut-monitoringa-zemel-ekosistem-i-ekonomiki-prirodopolzovaniya-reglament-utverzhden-prikazom-sluzhbi-prirodopolzovaniya-i-ohrani-okruzhayushej-sredi-astrahanskoj-oblasti-ot-31-10-2008.html
  • letter.bystrickaya.ru/obzor-arhitektur-programmiruemih-logicheskih-integralnih-shem.html
  • tetrad.bystrickaya.ru/uchebno-metodicheskij-kompleks-po-discipline-opd-f-21-semejnoe-pravo-dlya-specialnosti-030501-65-yurisprudenciya.html
  • zadachi.bystrickaya.ru/motiv-doma-v-proizvedeniyah-valentina-grigorevicha-rasputina.html
  • shkola.bystrickaya.ru/nekotorie-aspekti-otravlenij-azotnoj-kislotoj-i-okislami-azota-pri-himicheskih-avariyah-chast-4.html
  • uchit.bystrickaya.ru/tema-samoe-dorogoe-u-cheloveka-eto-zhizn-po-rasskazu-dzheka-londona-lyubov-k-zhizni.html
  • tasks.bystrickaya.ru/3sturktura-podgotovki-specialistov-otchet-o-rezultatah-samoobsledovaniya-gosudarstvennogo-obrazovatelnogo.html
  • kanikulyi.bystrickaya.ru/zadachi-kotorie-neobhodimo-reshit-dlya-realizacii-celi-viyasnit-chto-takoe-ulibka-i-smeh-kakie-vidi-ulibok-sushestvuyut.html
  • uchit.bystrickaya.ru/tyumenskij-gosudarstvennij-neftegazovij-universitet-spravochnik-abiturienta-po-napravleniyam-podgotovki-i-specialnostyam-visshego-professionalnogo-obrazovaniya-dorogie-druzya.html
  • studies.bystrickaya.ru/030611g-67-marinina-af-ul-lavochkina-vspiski-programmi-po-remontu-kvartir-uchastnikov-vov-na-2011-god.html
  • znaniya.bystrickaya.ru/referat-po-discipline-psihologiya-menedzhmenta.html
  • lektsiya.bystrickaya.ru/programma-disciplini-standart-pd-en-ekaterinburg.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.