Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Арилиодозокарбоксилаты 8
1.1. Органические соединения поливалентного иода. Классификация, номенклатура 8
1.2. Методы получения арилиодозокарбоксилатов 11
1.3. Реакции взаимодействия различных классов соединений с арилиодозокарбоксилатами 15
1.3.1. Реакции с алкенами в комбинациях с различными активаторами и окислителями 16
1.3.2. Реакции с алкинами 25
1.3.3. Реакции взаимодействия с карбонильными соединениями 28
1.3.3.1. Окисление в щелочной среде 29
1.3.3.2. Окисление в нейтральной и кислой средах 34
1.3.3.3. Реакция циклизации 39
Глава 2. Реакции фенилиодозодиацетата с алкенами, алкинами и кетонами .. .42
2.1. Перегруппировка алкенов в кислых средах под действием ФИА 42
2.2. Химические превращения алкинов при действии фенилиодозодиацетата в присутствии H2SO4 . 56
2.3. Функционализация кетонов 60
2.4. Экспериментальная часть 65
Глава 3. Реагенты на основе ДМСО в новых окислительных превращениях циклических кетонов и арилзамещенных ацетиленов 74
3.1. Окисление циклических кетонов реагентом НВг -ДМСО 74
3.2. Новый подход к синтезу несимметричных гетероциклических 1,2-дикетонов 83
3.3. Необычное окислительное расщепление связей арилэтинил полиметиларилацетиленов иодом в диметил сульфоксиде 86
3.4. Экспериментальная часть 95
Выводы 104
Список литературы
- Методы получения арилиодозокарбоксилатов
- Реакции взаимодействия с карбонильными соединениями
- Химические превращения алкинов при действии фенилиодозодиацетата в присутствии H2SO4
- Необычное окислительное расщепление связей арилэтинил полиметиларилацетиленов иодом в диметил сульфоксиде
Введение к работе
Постоянное расширение органического синтеза происходит благодаря открытию новых реакций и реагентов, а также в связи с углублением знаний о химических свойствах уже известных соединений. Кафедра органической химии и технологии органического синтеза Томского политехнического университета на протяжении последних 55 лет ведет исследования по разработке новых реагентов и реакций для органической химии. Одним из научных направлений кафедры является разработка новых реагентов на основе соединений поливалентного йода и диметилсульфоксида (ДМСО).
В последнее время отмечен огромный интерес к соединениям поливалентного иода, который обусловлен их богатыми синтетическими возможностями. Преобладающей тенденцией в данной области является поиск новых соединений поливалентного иода, как реагентов для органического синтеза. Порой данные исследования требуют использования сложных методик, труднодоступных исходных соединений, специальные условия хранения и т.п. В связи с этим актуальным является расширение синтетического потенциала одного из самых доступных и практически безопасных представителей класса поливалентных соединений - фенилиодозодиацетата (ФИА).
Многообразие свойств диметилсульфоксида позволило внести в практику органического синтеза новые реагенты окисления ар ил сопряженных алкенов и алкинов до 1,2-дикарбонильных соединений. В расширении препаративных возможностей реагентов на основе ДМСО (НВгв0Д/ДМСО, Р 1С12/ДМСО и Іг/ДМСО) представляется актуальным исследование их действия на ранее неизученные соединения, например, такие как алифатические кетоны, полимети-л ар ил ацетилены и гетероарилацетилены. Кроме того, представляется интересным и изучение окислительной способности реагента, представленного комбинацией двух окислителей - ФИА и ДМСО. Диссертация выполнялась на кафедре органической химии и технологии органического синтеза Томского политехнического университета и на кафедре химии Сибирского государственного медицинского университета по программам, поддержанным проектами Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ 96-03-33054а и 00-03-32812а), Министерства Образования (грант МО Э02-5.0-176) и индивидуальным грантом Томского политехнического университета для молодых ученых, а также является составной частью госбюджетной темы Томского политехнического университета.
Методы получения арилиодозокарбоксилатов
Что касается органических производных пятивалентного иода, то они также могут быть классифицированы по количеству углеродных ли-гандов. Известны только соединения иода (V) с одним и двумя углеродными лигандами. Первый класс представлен органическими иодозилсоединениями (ШОг) и множеством их производных (RIX20). Второй класс включает иодониевые соли (R2IO-HX") [2].
Исследования последних лет, посвященные изучению структуры и электронного строения АИК дали целый ряд новых данных, позволивших лучше понять их реакционнионную способность. На примере фенилиодозо-диацетата - РЫ(ОАс)2 (далее ФИА) было найдено, что в кристаллическом виде молекула имеет Т-образную форму, т.е. обе связи 1-0 перпендикулярны плоскости бензольного кольца. Обе одинарные связи І-О равны, и кроме того, каждая молекула ФИА образует две межмолекулярные связи I—О, и в целом образуется четырехчленное кольцо ЮСО. По-видимому, и в растворе сохраняется такая же геометрия молекулы ФИА. При изучении методом спектроскопии ПМР бензольных растворов ряда АИК не отмечено наличия других конформаций [3 ].
Известно большое количество соединений поливалентного иода, которые отличаются друг от друга составляющими в своей структуре. Много і членные соединения, имеющие валентность от 1 до 5, и координируемые с 2 - 4 различающимися лигандами (от элементов до сложных органических соединений), составляют труднопоследовательную номенклатуру. Систематические названия являются часто слишком длинными и редко используются, даже для простых, и особенно, для циклических соединений. В своей книге А. Варвоглис предлагает некоторые широко применяемые термины по системе IUPAC. Например, иодозилбензол для РЫО, иодилбензол для РЫОг-Однако, для других соединений достаточно простые и более легкоузнаваемые названия предпочтительнее, например, о-иодозилбензойная кислота для циклической 1,3-дигидро-1-гидрокси-3-оксо- 1,2-бензиодозол; реагент Косе-ра - PhI(OH)OTs для [гидрокси(тозилокси)иод]бензола или реагент Десс-Мартина (Dess-Martin reagent) для 1Д,1-триацетокси-1,1-дигидро-1,2-бензиодрзол-(1 Н)-он.
В то время как номенклатура иодониевых солей идентична в разных странах, номенклатура органических поливалентных соединений иода находится в постоянном развитии. Для того чтобы избежать путаницы, мы будем придерживаться наиболее простой и часто используемой номенклатуры [3]. Например, для соединения РЫ(ОСОСНз)г, впервые синтезированного Вилль-геродтом и названного им фенилиодацетатом «phenyliodacetat», за последнее время в химической литературе различных стран можно встретить более двенадцати различных названий: фенилиодозодиацетат, диацетат иодбензол, ди-ацетат иодозобензола, фенил иоддиацетат, фенилиодозоацетат, 1,1-диацетоксибензол и др [20]. 1.2. Методы получения арилиодозокарбоксилатов
Методы получения АИК в настоящее время переживают второе рождение, связанное в первую очередь с их синтетической полезностью. Эти соединения являются наиболее важными, хорошо исследованными и имеющие практическую значимость. Два из них, ФИА и ФИТФА являются коммерчески доступными соединениями и выпускаются многими фирмами, производящими реагенты для органического синтеза (Aldrich, Merck и т.д.). Они нашли широкое синтетическое применение в качестве исходного материала для получения большого ряда других соединений поливалентного иода, например, для синтезирования реагентов Косера, Зефирова и т.д. В качестве исходных соединений для получения арилиодозокарбокси-латов можно использовать арилиодиды, иодозосоединения, иодозохлориды, иодозоацетатьт и даже непосредственно арены. Следует подчеркнуть, что выполняемые процедуры и сам синтез очень просты. Так что нет необходимости покупать готовые промышленные реагенты.
Впервые простейший арилиодозокарбоксилат - ФИА был получен Вилльгеродтом конденсацией иодозобензола с уксусной кислотой [21]. Реак-ция конденсации протекает при нагревании иодозобензола в уксусной кислоте до температуры кипения.
Эта реакция осложнена плохой растворимостью иодозосоединений в обычных растворителях. При этом первые немногочисленные АИК, полученные на их основе, содержали остатки жирных карбон овых кислот, избыток которых использовался в качестве реакционной среды. Другим недостатком этого процесса является его обратимость. А также, из-за ряда других причин данная реакция не имела больших перспектив. В 1939 году Ньго описал реакцию арилиодозохлоридов с диацетатом свинца в растворе уксусной кислоты с образованием соответствующих ари лиодозоацетатов [22].
Наиболее широко используемый метод получения АИК был предложен в 1953 году Посакером. Им были найдены условия при которых иодбензол легко окисляется 30%-ной перекисью водорода в уксусном ангидриде, образуя ФИА с высоким выходом (83%) [3,23]. Преимуществом данного метода является то, что целевой продукт содержит только примеси иодбензола, от которого легко можно избавиться, промыв его холодным гексаном.
Одностадийный способ получения АИК, содержащих остатки производных карбоновых кислот, например трифторуксусной, из ароматических субстратов был предложен Ягупольским в 1974 году. Украинские ученые открыли реакцию аренов с три(трифторацетатом) иода, приводящую к арилио-дозотрифторацетатам [24].
Реакции взаимодействия с карбонильными соединениями
Реакциям АИК с карбонильными соединениями посвящено большое количество работ. Известно, что альдегиды легко окисляются под действием соединений поливалентного иода до карбоновых кислот [53], а неенолизируемые кетоны инертны. На данный момент достаточно хорошо изучено действие АИК на енолизируемые кетоны. В этом случае протекают три основных процесса, которые зависят как от структуры кетонов, так и от условий проведения реакций. В щелочной среде арилалкилкетоны претерпевают а-функционализацию. В кислой среде, в зависимости от природы растворителя протекают два конкурирующих процесса - а-функционализация и перегруппировка.
Общая схема функционализации кетонов. рто-гидроксилсодержащие арилалкилкетоны претерпевают процесс гетероциклизации.
Продукты функционализации карбонильных соединений имеют большую синтетическую ценность, поскольку могут быть использованы в синтезе различных классов соединений. 1.3.3.1. Окисление в щелочной среде
Реакции а-функционализации карбонильных соединений являются основной синтетической задачей в химии кетонов. Использование соединений поливалентного иода делает возможным проведение такой функционализации в достаточно мягких условиях и с высокими выходами конечных продуктов. Обычно реакции протекают в метанольном растворе КОН. Существенный вклад в реакцию а-функционализации кетонов внесли Мориарти и Прахаш. В своем обзоре авторы сделали предположение о том, что из фени-лиодозокарбоксилатов получается диметоксииодбензол [12].
Еще в начале 80-х годов Мориарти с соавторами показали, что арилме-тилкетоны при действии на них ФИА или РЫО в среде КОН/МеОН селективно образуют соответствующие ацилоины с хорошими выходами [54]. Наличие, нитрогруппы в кольце значительно снижает выход конечного продукта (48%).
Важно отметить, что в случае 2,6-диацетшширидина происходит образование 2,б-бис-(гидроксиметилкарбонил)пиридина с хорошим выходом без окисления азота или дальнейшего окисления гидроксиметилкарбонильных групп.
Подобное превращение претерпевает диацетилферроцен до бис-(гидроксиметилкарбонил)ферроцена с сохранением комплекса Fe 2+. В этой работе [54] авторы утверждают, что действующим окисляющим реагентом является иодозобензол, который легко образуется в щелочной среде из ФИА.
В 1984 году Мориарти с соавторами показали, что и алифатические енолизируемые кетоны легко претерпевают а-функционализацию при действии ФИА в МеОН/КОН с образованием соответствующих сс-гидроксидиметилацеталей с высокими выходами (60-80%) [56].
В реакцию вовлекались пентанон-3, циклогексанон, циклопентанон, циклододеканон, норбарнон-2, бензальацетон. Кислотный гидролиз а-гидроксидиметилацеталей действием 5%-ной H2SO4 в СНгСЬ приводил к образованию а-гидроксикетонов с хорошими выходами (68-83%). В случае 2-метилциклогексанона образуется смесь двух изомеров.
Мориарти и Пракаш в своих дальнейших исследованиях показали, что с природными соединениями, на примере производных флавонов, в тех же условиях протекают схожие процессы с образованием диметилацеталей, которые в кислой среде превращаются в цис-3-гидроксифлавон. Проведение более глубокого кислотного гидролиза дает транс-3-гидроксифлавон [57].
Химические превращения алкинов при действии фенилиодозодиацетата в присутствии H2SO4
Протекание побочного процесса в реакции с дифенилэтиленом (3) можно объяснить большей стабильностью образующегося карбкатиона 24 после присоединения поливалентного иода (схема 6). Следует отметить, что при воздействии на дифенилэтилен 3) реагента Косера была выделена из реакционной смеси иодониевая соль типа 25 с выходом 5%, где анионом являлся тозилат-анион [5, 75]. Тогда как в нашем случае методом ГЖХ/МС были зафиксированы продукты дальнейшей трансформации соли 25 в дифенилацетальдегид (20).
Нам не удалось провести селективное окисление ()-стильбена (4) действием ФИА и серной кислоты. Этот факт можно объяснить рядом причин. Во 51 первых, (Г)-стильбен (4), в отличие от алкенов 1-3, обладает невысокой растворимостью при комнатной температуре в СН2С12, CH3CN, СН3ОН. Во-вторых, как известно (}-стильбен (4) обладает более низкой активностью в реакциях с электрофилами по сравнению с алкенами 1-3, что сказывалось на продолжительности реакции [76]. Так, при действии на ()-стильбен (4) ФИА и серной кислоты в СН2СІ2 мы наблюдали низкую конверсию субстрата. При проведении реакции в течение 40 часов была получена сложная смесь, из которой был выделен продукт перегруппировки бензофенон (23) с выходом 32% (таблица 1). В случае использования в качестве растворителя ацетонитрила, реакция протекала при 20С за более короткое время (2-3 ч), при этом выход целевого продукта 23 не изменился. В уксусной кислоте и метаноле окисление проводили уже при 60С в течение 15-22 ч. Выход бензофенона (23) составлял 24-38% (таблица 1). Исследование реакционной массы методом хромато-масс-спектрометрии показало, что протекают два процесса окисления: первый - окислительная перегруппировка (основной маршрут); второй - окисление кратной связи без миграции бензольного кольца (неосновной маршрут). По основному маршруту были зарегистрированы такие продукты окислительной перегруппировки, как бензофенон (23) (32%), дифенилацетальдегид (20) (3%), дифенилуксусная кислота (21) (1%), дифенилметоксиуксусная кислота 26 (27%). Продуктами окис-ления были дезоксибензоин (17) (2%), бензил (19) (6%), бензальдегид (13) (5%) и бензойная кислота (16) (5%). Причина столь сложного характера реакции возможно заключается не только в плохой растворимости (} стильбена (4) в используемых органических растворителях, но и в чрезвычайно легкой окисляе-мости дифенилбензальдегида (20) до карбоновых кислот 21 и 26 при комнатной температуре, которые неустойчивы в сильно кислых средах и легко декарбокси 52 лируются до более устойчивого бензофенона (23) (схема 7). Следует отметить, что действие реагента Косера на (2)- или ()-стильбен (4) в СНгСЬ за 14 дней при комнатной температуре приводит к смеси мезо- и dl-продуктов 1,2 дитозилоксилирования с суммарными выходами 53% в случае Z-изомёра и 44% в случае Е-изомера [75]. В то время как (2)-стильбен (4) при действии комплек і са иодозобензола с эфиратом трехфтористого бора в СНгСЬ при -10С образует продукт окислительной перегруппировки дифенилацетальдегид (20) выходом 80%. Успешное протекание реакции перегруппировки объясняется хорошей растворимостью (2)-стильбена (4) в СНгСЬ, что позволяет проводить процесс при низких температурах [77].
Мы также исследовали реакцию циклогексена (5) и метилциклогексена (6) с ФИА и серной кислотой. Хотелось бы отметить, что в обоих случаях были получены близкие по структуре продукты, как окислительной перегруппировки, так и присоединения. Отличительным было то, что в случае циклогексена (5) процесс перегруппировки являлся основным направлением реакции, о чем свидетельствует более высокий выход циклопентанкарбольдегида (27). При ис пользовании ацето нитрил а вместо метанола выход альдегида 27 незначительно снижался и составлял 39% (таблица 1). В свою очередь при действии на метил цикл огексен (6) ФИА и серной кислоты в МеОН выход ацетилциклопентана (28) составлял всего 22%. При изучении реакционной массы окисления цикло гексена (5) методом ГЖХ/МС было установлено, что содержание продуктов сужения цикла составляет около 22% (альдегид 27 и его полуацеталь), о стал ь ньши компонентами смеси являются продукты присоединения (метоксицикло гексен (29) и 1,2-диметоксициклогексан (30)). Однако в случае метилциклогек-сена (6) с помощью метода ГЖХ/МС было установлено наличие продукта сужения цикла — кетона 28 в количестве только 8%. Остальными компонентами смеси были продукты присоединения, где на долю продуктов 31 и 32 приходило 78% (в соотношении 1:9 соответственно). Помимо простых эфиров в реакционной массе также были зарегистрированы З-метил-3-метоксициклогексен (33) и 2-метилциклогексанон (34).
Таким образом, в отличие от арилсопряженных алкенов, в алифатических цик-лических алкенах процесс окислительной перегруппировки не является основным направлением взаимодействия с ФИА, активированного серной кислотой. Это хорошо согласуется с данными о миграционной способности арильного радикала по сравнению с алкильным. Чаще миграционная способность арильного радикала больше, хотя известны и исключения [78]. Процесс окислительной перегруппировки представлен на схеме 8.
Выход продукта окислительной перегруппировки у циклогексена (5) почти в 2 раза выше, чем у метилциклогексена (6). Причина существенной разницы в выходах, возможно, заключается в лучшей миграционной способности метильной группы, нежели алкильной в карбкатионе А. Кроме того, наличие метильной группы в цикле приводит к образованию нового соединения 34, что также объясняется возможностью более легкой перегруппировки метильной группы (схема 9).
Необычное окислительное расщепление связей арилэтинил полиметиларилацетиленов иодом в диметил сульфоксиде
Окисление дикарбонильных соединений 59-61 действием DHA-H2S04 в среде метанола и ацетонитрила протекало более сложным образом с образованием .неразделимой смеси продуктов. Анализ реакционных масс методом ГЖХ/МС показал наличие множества продуктов (около 30), из которых удалось идентифицировать 5 основных соединений (схема 15). Кетоны 71-76, вероятнее всего, являются продуктами дальнейших превращений соединений 62-64 в условиях реакции. Образование продуктов сужения цикла 68-79 и 77-79 также можно предположить как следствие процесса декарбонилирования трикетонов 65-67.
Схема Эти данные хорошо согласуются с результатами, полученными нами при окислении дикетона 59 действием НВг-ДМСО (см. раздел 3.3.).
Таким образом, суммируя полученные результаты, можно подвести итог. Во-первых, нами впервые была проведена реакция сс-гидроксилирования еноли-зируемых кетонов на примере ацетофенона (51) и дезоксибензоина (17) в кислой среде с использованием в качестве растворителя ДМСО. Во-вторых, показана окислительная перегруппировка сопряженных кетонов с образованием аце-талей ди- и трикарбонильных соединений.
ИК спектры регистрировали на спектрофотометре «UR-20», в пленке или КВг. Спектры ЯМР Ни С записывали на спектрометрах Bruker АС-200 (200 и 50 МГц), АМХ-400 (400 МГц и 100 МГц), DRX 500 (500 МГц и 125 МГц), внутренний стандарт - ТМС, растворители - CDCb, ацетон-de, ССЦ). Хромато-масс-спектры регистрировали на газовом хроматографе «Hewlett Packard 5890/11» с квадрупольным масс-спектрометром (HP MSD 5971) в качестве детектора (ЭУ, 70 эВ); использовали 30-м кварцевую колонку НР-5 (сополимер дифенил- (5%) и диметилсилоксана (95%)) с внутренним диаметром 0.25 мм и толщиной пленки неподвижной фазы 0.25 мкм. Масс-спектры (ЭУ) получали на спектрометре «Finnigan 8200». Элементный анализ осуществлен с использованием прибора Е.А. 1106 Carlo Erba CHNS-O. Температуру плавления измеряли на приборе Boetius. Для колоночной хроматографии использовали силикагель L 40/100 мкм фирмы Chemapol, алюминий окись по Брокману (II) (нейтральный, рН 10%-ного водного раствора 9-Ю)
Характеристика использованных веществ. Синтез фенилиодозодиацетата (ФИА). В двухлитровой колбе, снабженной механической мешалкой, обратным холодильником, термометром и по 66 груженной в водяную баню, осторожно смешали 610 мл уксусного ангидрида и 140 мл 30% - ной перекиси водорода, доводили температуру бани до 40С и выдерживали реакционную смесь при этой температуре и интенсивном перемешивании 4 часа. Добавляли 100 г иодбензола, перемешивали еще 1,5 часа и оставляли на ночь при комнатной температуре. Реакционную смесь разбавляли двойным объемом воды со льдом, выпавший осадок отфильтровали и высушивали на воздухе. Перекристаллизация из минимального количества уксусной кислоты дала фенил иодозоацетат в виде блестящих кристаллов. Выход 158 г (83%), т.пл 157-159С (лит. [23] т.пл, 158-159С).
Приготовление 50%-ного метанопьного раствора И 04 . К 19,4 мл метанола (р =0.79 г/см3) добавили 9.0 мл H2S04 (96%, р=1.84 г/см3).
Халкон (бензальацетофенон)( 53) получали по следующей методике: В круглодонную колбу, снабженную мешалкой и погруженную в баню со льдом помещили раствор 2,18 г едкого натра в смеси в смеси 19,6 воды и 10 г (12,25 мл) 95%-ного спирта. В щелочной раствор добавляли 5,2 г свежеперегнанного ацетофенона и при 5С сразу добавляли 5.0 г бензальдегида. Во время реакции температуру смеси поддерживали в интервале температур 15-30С при интенсивном перемешивании. Через 2-3 часа смесь загустевала и размешивание делалось невозможным. После мешалку вынимали и оставляли смесь в холодном месте на ночь. Затем реакционную массу охлаждали смесью льда с солью, выпавший халкон отфильтровывали. Промывали на фильтре охлажденным до 0С этанолом и высушивали на воздухе. Получали 8 г (90%) с т.пл. 54-56С (из 95%-ного этанола), (лит. [82] т.пл. 55-57С).
Дибензальацетон (54) получали аналогичным образом из ацетона и бензальдегида, т. пл. 121-122С, (лит. [82] т.пл. 122С ).
Стирол (1), метилстирол (2), дифенилэтен (3), фенилацетилен (38) использовали свежеперегнанными. Стильбен (4) (т.пл. 125С) толан (37) (т.пл. 62С) были товарными продуктами.
Циклогексен (5), метилциклогексен (6), транс-І -дифенил-иЗ-бутадиен (7), 5,5-диметшщиклогексан-1,3-дион (димедон) (59), 4,4-диметилциклогексан-1,3-дион (60) и циклогексан-1,3- дион (61) были получены от Aldrich.
Ацетонитрил, диметилсульфоксид и метанол применяли марки "х.ч." без дополнительной отчистки. Серная кислота марки «х.ч.» с концентрацией 96%. Методика приготовления раствора 2,4- дтштрофенилгидразина 3.0 г 2,4-диштгрофенилгидразина растворяли в 15 мл концентрированной серной кислоты. Затем при перемешивании полученный раствор приливали к смеси 20 мл воды и 70 мл 95%-ного этилового спирта, тщательно перемешивали и фильтровали [83]
Общая методика проведения реакций ФИА с алкенами в кислой среде. К охлажденному до указанной в таблице 1 температуры раствору алкена (1.0 ммоль) в (3-5 мл) метанола добавили 354,2 мг (1.1 ммоль) фени л иодозоди ацетата. При перемешивании прикапывали 0,22-0,25 мл 50%-ного метанольного раствора H2SO4. Реакционную массу выдерживали при данной температуре в течение времени указанного в таблице 1. Смесь выливали в 30 мл 10%-ного раствора NaHCOj, экстрагировали эфиром (2x30 мл), промывали водой (2x30 мл) и насыщенным раствором NaCl (30 мл), сушили Na2S04. После отгонки эфира полученную массу растворяли в бензоле и хроматографировали на колонке. Элюи-ровали гексаном для выделения иодбензола, т.кип. 182-185С (лит [85] т.кип. 188С).
Похожие диссертации на Окислительные превращения алкенов, алкинов и кетонов реагентами на основе фенилиодозодиацетата и диметилсульфоксида
