CC BY
44
УДК (547.537+547.584'238):66.095.86
Е.Ю. Кисленко, И. Б. Крылов, М.Ю. Шарипов, А. О. Терентьев
Институт органической химии РАН им. Н. Д. Зелинского, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ПЕРЕКРЕСТНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ БЕНЗИЛЬНЫХ И ФТАЛИМИД-^ОКСИЛЬНЫХ РАДИКАЛОВ В СИСТЕМЕ ЦЕРИЙ (IV) АММОНИЙ НИТРАТ / ^ГИДРОКСИФТАЛИМИД / ЛгСН2К
Исследован процесс окислительного C-O сочетания алкиларенов и родственных соединений с N-гидроксифталимидом (NHPI) в присутствии церий (IV) аммоний нитрата (CAN). Разработан новый препаративный метод получения O-замещенных NHPI. Получены целевые продукты с выходом от 35 до 80%.
The process of oxidative CO coupling of alkylarenes and related compounds with N-hydroxyphtalimide (NHPI) using cerium(IV) ammonium nitrate (CAN) was investigated. The new method of synthesis of O-substituted NHPI derivatives was developed. The target products were obtained in yields from 35 to 80%.
Радикальные реакции занимают важное место как в лабораторном синтезе [1], так и в промышленных процессах (таких как окисление кислородом, галогенирование, сульфохлорирование, сульфоокисление, нитрование, полимеризация) [2].
Широкое распространение получили радикальные реакции окисления с участием кислорода или его соединений, в результате которых к исходной молекуле добавляется один или несколько атомов кислорода: получение спиртов, пероксидов, кетонов и карбоновых кислот [3].
В меньшей степени исследованы реакции сочетания C-центрированого и O-центрированного (связанного с органическим фрагментом) радикалов, сопровождающиеся образованием C-O связи. Эти процессы, как правило, протекают с низкими выходами вследствие участия С- и O-центрированных радикалов в побочных реакциях [4]. В настоящей работе осуществлено окислительное C-O сочетание N-гидроксифталимида (NHPI) c алкиларенами и родственными соединениями под действием церий (IV) аммоний нитрата (CAN, (NH4)2Ce(NO3)6) (схема 1).
Под действием окислителей NHPI превращается в нитроксильный радикал (pthalimide-N-oxyl, PINO), способный отрывать атом водорода от алкиларенов, алкенов, алкинов, простых эфиров, спиртов, амидов и алканов, генерируя из них С-радикалы которые далее превращаются в целевые продукты [5].
Другой реагент, использованный в настоящей работе — сильный одноэлектронный окислитель CAN; он малотоксичен, удобен в обращении и гидролитически стабилен, применяется для генерирования радикалов из третичных спиртов, кетонов, 1,3-дикарбонильных соединений, эфиров енолов, тиофенолов, алкенов, галогенид, роданид и азид анионов. Получающиеся таким путем радикалы могут присоединяться по кратным связям с образованием новых связей C-C и С-гетероатом, отрывать атом водорода от органического субстрата, а также вступать в другие превращения [6].
Под действием CAN NHPI окисляется до радикала PINO [7]. Система NHPI-CAN
Схема 1
была использована для окисления спиртов, содержащих в a-положении арильный заместитель, до кетонов, для амидирования алканов и алкиларенов и для введения нитратной группы в бензильное положение [8, 9].
В настоящей работе обнаружена реакция окислительного C-O сочетания алкиларенов с NHPI при участии CAN, в результате которой образуются O-замещенные NHPI. Этот процесс был для нас несколько неожиданным, поскольку известно, что CAN с препаративным выходом окисляет алкиларены до кетонов и альдегидов [10] и добавление в систему дополнительного медиатора окисления - NHPI могло бы привести к увеличению выхода карбонильных соединений.
Недавно предложены процессы с использованием систем NHPI/CuCl/PhI(OAc)2 [11], NHPI/NaIO4/SiO2 [12] и NHPI/Pb(OAc)4 [13], похожие на окислительное сочетание, предложенное нами. Недостатком первого из них является необходимость проведения реакции при повышенной температуре (70 °C) и побочное образование фенилиодида из (диацетоксииод)бензола, который необходимо отделять от целевого продукта. Во втором применяется сложная мультикомпонентная гетерогенная система CH2Cl2/SiO2/(H2O+NaIO4)/NHPI, свойства которой сильно зависят от соотношения количеств фаз и типа силикагеля; для сочетания использовали циклогексен и циклооктен (выходы продуктов не указаны). В работе [13] PINO генерировали из NHPI под действием Pb(OAc)4, а затем вводили в реакцию с арилметанами, бензиловыми спиртами и бензальдегидами, выходы продуктов окислительного сочетания не указаны.
Родственный процесс окислительного сочетания первичных спиртов и альдегидов с N-гидроксисукцинимидом (аналог NHPI) приводит к образованию активированных сложных эфиров, реакция протекает под действием 2-иодоксибензойной кислоты; авторы предлагают механизм без участия нитроксильного радикала [14].
O-замещенные NHPI могут быть получены также по реакции нуклеофильного замещения между анионом NHPI и галогенидом [15] или по реакции Мицунобу между NHPI и спиртом [16].
Предложенный в настоящей работе подход, основанный на окислительном сочетании, базируется на более доступных стартовых реагентах по сравнению с галогенидами и спиртами, для получения которых дополнительно требуется стадия галогенирования или окисления алкиларенов.
С использованием разработанного метода были получены продукты сочетания соответствующих алкиларенов и родственных соединений, содержащих бензильные CH связи, c N-гидроксифталимидом, некоторые из которых показаны ниже (схема 2).
O O
Схема 2
Также было проведено сочетание NHPI с алкеном - циклогексеном. Продукт
сочетания 7 был получен с невысоким выходом 25% при использовании 10-кратного мольного избытка алкена по отношению к КНР1 (схема 3).
О О
HO-
CAN
Ацетон-вода 20-25 oC
7, 25%
Схема 3
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что реакция протекает через перекрестную рекомбинацию С- и О-радикалов, бензильных и имидоксильных (схема 4). Бензильные радикалы при этом не окисляются, как можно было ожидать, и не рекомбинируют между собой.
Ar-CH2-R
>O. /
/
/
/
Ar-CH-R
O
Ar Ar
CAN
АГ-CH-R
N—O R ^H
Ar
Схема 4
В пользу этого свидетельствуют следующие факты. Во-первых, в условиях опытов, которые обеспечивают генерацию PINO и полное расходование CAN до прибавления алкиларена (в даннном случае катион Ar-(CH )-R не образуется), с хорошим выходом получается целевой продукт сочетания - О-замещённый NHPI. Во-вторых, при проведении реакции в растворе уксусной кислоты не образуется бензилацетат, который является ожидаемым продуктом в случае генерирования Ar-CH2+ в реакционной смеси; был выделен только целевой продукт .
Дополнительным доводом в пользу приведённого механизма являются результаты специально поставленного эксперимента, в котором смешивали бензиловый спирт - источник катионов Ar-CH2+, NHPI, уксусную кислоту, воду и соляную кислоту. Полученную суспензию перемешивали 7 часов при комнатной температуре. В результате выделены исходный бензиловый спирт (45%) и бензилацетат (24%) -продукт взаимодействия Ar-CH2+ с AcOH; О-замещённый NHPI не был обнаружен, из чего можно заключить, что NHPI обладает низкой реакционной способностью по отношению к катиону Ar-CH2+ в этой системе.
Разработан метод синтеза O-замещенных NHPI окислительным сочетанием алкиларенов и их производных с NHPI при участии CAN. Успешный синтез продуктов сочетания априори представлялся маловероятным вследствие одновременного присутствия в реакционной среде ряда различных по природе реакционноспособных частиц, параллельного протекания нескольких реакций и возможности образования карбонильных соединений - продуктов более глубокого окисления. Экспериментальные данные позволяют считать предпочтительным механизм, согласно которому из NHPI под действием CAN образуются радикалы PINO, которые затем отрывают атом водорода из
+
бензильного положения алкиларена с образованием C-центрированных радикалов; продукт сочетания образуется путем рекомбинации PINO и C-центрированных радикалов. Синтез проходит в мягких условиях при комнатной температуре, базируется на доступных реагентах. Целевые продукты получены с выходом 35-80%, методика масштабируется с получением их в граммовых количествах.
Библиографический список
1. Radicals in Organic Synthesis (Eds.: P. Renaud, MP. Sibi), Wiley-VCH, 2001.
2. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Fourth Edition
3. M. Costantini, N. Crenne, M. Jouffret, J. Nouvel. Preparation of Cycloalkanones and Cycloalkanols // U.S. Patent 3,923,895, 1975
4. F. Minisci, F. Fontana, S. Araneo, F. Recupero. New Syntheses of Mixed Peroxides Under Gif-Barton Oxidation of Alkylbenzenes, Conjugated Alkenes and Alkanes; a Free-Radical Mechanism // J. Chem. Soc., Chem. Commun.-1994.-№16.-P.1823-1824
5. Sheldon R. A. Organocatalytic oxidations mediated by nitroxyl radicals / R. A. Sheldon, I. W. C. E. Arends // Adv. Synth. Catal.-2004.-Vol.346,№9-10.-P.1051-1071
6. Nair V. Cerium (IV) Ammonium Nitrate - a Versatile Single-Electron Oxidant / V. Nair, A. Deepthi // Chem. Rev.-2007.-Vol.107,№5.-P.1862-1891
7. Kim S. S. Efficient Aerobic Oxidation of Alcohols to Carbonyl Compounds with NHPI/CAN Catalytic System / S. S. Kim, G. Rajagopal // Synth. Commun.-2004.-Vol.34,№5,-P.2237-224
8. Sakaguchi S. First Ritter-type Reaction of Alkylbenzenes Using N-hydroxyphthalimide as a Key Catalyst / S. Sakaguchi , T. Hirabayashi, Y. Ishii // Chem. Commun.-2002.-№ 5.-P.516-517
9. Kamijo S. Direct Oxidative Installation of Nitrooxy Group at Benzylic Positions and its Transformation into Various Functionalities / S. Kamijo, Y. Amaoka, M. Inoue // Tetrahedron Lett.-2011.-Vol.52,№36.-P.4654-4657
10. Syper L. Partial Oxidation of Aliphatic Side Chains with Cerium (IV) / L. Syper // Tetrahedron Lett.-1966.-Vol.7,№37.-P.4493-4498
11. J.M. Lee, E.J. Park, S.H. Cho, S. Chang. Cu-Facilitated C-O Bond Formation Using N-Hydroxypthalimide: Efficient and Selective Functionalization of Benzyl- and Allylic C-H bond // J.Am.Chem.Soc.-2008.-Vol.130,№25.-P.7824-7825
12. Coseri S. A New and Efficient Heterogeneous System for the Phthalimide N-Oxyl (PINO) Radical Generation / S. Coseri // Eur. J. Org. Chem.-2007-№11.P.1725-1729
13. N. Koshino, B. Saha, J.H. Espenson Kinetic Study of the Phthalimide N-Oxyl Radical in Acetic Acid. Hydrogen Abstraction from Substituted Toluenes, Benzaldehydes, and Benzyl Alcohols // J. Org. Chem.-2003-Vol.68,№13.-P.9364-9370
14.Schulze A. IBX-Mediated Conversion of Primary Alcohols and Aldehydes to N-Hydroxysuccinimide Esters / A. Schulze, A. Giannis // Adv. Synth. Catal.-2004.Vol.346.- P.252-256
15. M.-Z. Wang, H. Xu, T.-W. Liu, Q. Feng, S.-J. Yu, S.-H. Wang, Z.-M. Li. Design, synthesis and antifungal activities of novel pyrrole alkaloid analogs // Europ. J. Med. Chem.-2011.Vol.46,№13.-P.1463-1472
16. M. Bahta, G. T. Lountos, B. Dyas, S.-E. Kim, R. G. Ulrich, D. S. Waugh, T. R. Burke, Jr. Utilization of Nitrophenylphosphates and Oxime-Based Ligation for the Development of Nanomolar Affinity Inhibitors of the Yersiniapestis Outer Protein H (YopH) Phos-phatase // J. Med. Chem.-2011.-Vol.54,№8.-P.2933-2943
