CC BY
28УДК 547. 1-3
М.А. Морозова, М.Е. Трусова, И.О. Максимчук, В.Д. Филимонов ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИЙ ВОССТАНОВЛЕНИЯ АРЕНДИАЗОНИЙ ТОЗИЛАТОВ
(Национальный исследовательский Томский политехнический университет)
e-mail: morozovama@tpu.ru
Впервые изучены реакции гидро-дедиазонирования арендиазоний тозилатов (АДТ) электрохимическим и химическими методами. Показано, что восстановление в растворах этанола протекает неселективно для АДТ, содержащих электронодонорные заместители. Восстановление под действием наночастиц железа, покрытых углеродом (Fe@C), а также терморасширенного и необработанного графита проходит хемоселек-тивно и количественно в воде при комнатных температурах. Данный метод восстановления полностью отвечает критериям «Зеленной химии».
Ключевые слова: ароматические соли диазония, восстановление, наночастицы металла покрытые углеродом, Зеленая химия
Ароматические диазониевые соли являются одними из наиболее универсальных строительных блоков в классическом органическом синтезе. Одним из препаративно важных превращений диазониевых солей является их полное восстановление до соответствующих аренов (реакция гидро-дедиазонирования). В литературе известно много методов такого восстановления [1-7]. Чаще всего в качестве восстановителей используют Н3Р02 и ее соли [1,2], водный диоксан или тетра-гидрофуран с различными добавками [3], станнит натрия [4], щелочной раствор формальдегида [5], диметилформамид [6], борогидрид натрия [7] и некоторые другие. Известны также и методы электрохимического восстановления [8,9]. Однако, многие из перечисленых восстанавливающих агентов дороги, требуют использования тяжелых металлов и не всегда обеспечивают устойчивые выходы целевых продуктов. Кроме того, несмотря на огромные успехи синтезов на основе солей диазония, у большинства из них имеется принципиальный недостаток - нестабильность и взрыво-опасность.
Ранее нами получен новый тип ароматических солей диазония - арендиазоний тозилаты (АДТ), которые являются устойчивыми при хранении, невзрывоопасными, хорошо растворимыми во многих органических растворителях и в воде, и обладающими высокой реакционной способностью [10-12]. Реакции восстановления АДТ ранее не изучались, и в данной работе впервые проведено исследование трех вариантов гидро-дедиазо-нирования АДТ ^-ХСбНК^О" [Х= N02 (1), 0Ме (2), СООН (3), CN (4)].
Оказалось, что АДТ 1, 2 с электроноакцеп-торной нитро-группой и электронодонорной ме-токси-группой при нагревании в спирте при 60 °С
подвергаются восстановлению до соответствующих аренов 1а, 2а и продуктов замещения диазо-ниевой группы на этокси-группу (1b,2b) за 30 и 45 мин соответственно (схема 1).
+ EtOH, 60oC
p-XCal-UN+TsO"-»► XC6H5 + p-XC6H4OEt
-N2
1,2 1a, 2a 1b, 2b
X= NO2 (1), OMe (2)
Схема 1. Реакция диазониевых солей с этанолом Scheme 1. The reaction of diazonium salts 1,2 with ethanol
Заместители X оказывают заметное влияние на эти процессы. Так, соль 2 с электронодо-норным заместителем не только медленней восстанавливается, но и показывает меньшую селективность - соотношение продуктов 2a/2b составляет 78/22, в то время как соотношение продуктов 1a/1b равно 97/3 (данные ГХ/МС).
Наночастицы металлов, покрытые углеродом (Ме@С), находят все большее применение в разных областях науки и технике, в том числе и в качестве катализаторов в органических превращениях. Так, капсулированные в углерод наночастицы железа, никеля, палладия, проявляют каталитическую активность в реакциях гидродехлорирования и гидрирования хлорбензолов, хлорированных бифенилов в исключительно мягких условиях, как в жидкой, так и в газовой фазе [14,15]. Мы исследовали возможности использования наноча-стиц (Ме@С) в качестве восстановителей АДТ 14. Ранее было показано, что некоторые АДТ спонтанно реагируют с наночастицами (Ме@С) с выбросом азота и ковалентной пришивкой органического остатка на поверхность [15] (схема 2). При этом было установлено, что на процесс модификации углеродной поверхности наночастиц расхо-
дуется до 12 % от общей массы АДТ, но не исследовались другие продукты превращений.
В данной работе мы исследовали влияние наночастиц железа, покрытых углеродом (Fe@C), на превращения АДТ, не вступивших в реакцию ковалентной модификации.
Оказалось, что в водных растворах при комнатной температуре АДТ (1-4) в присутствии 1.3 масс. % наночастиц Fe@C полностью восстанавливаются в соответствующие арены (1a-4a) в течение 2.5-3 ч. (схема 2)
von @ -ö
1-4 X. -
U-4a
X= NO2 (1, 1a), OCH3 (2, 2a), COOH (3, 3a), CN (4, 4a)
Схема 2. Реакция АДТ 1-4 в присутствии наночастицРе@С в водной среде
Scheme 2. Reactions of ADT 1-4 in the presence of Fe@C nanoparticles in a water
Выделение продуктов вели следующим образом: водные реакционные массы подвергали магнитной сепарации для удаления модифицированных наночастиц, после чего водные растворы содержат только продукт восстановления 1а-4а и пара--толуолсульфокислоту. Потенциально данный метод восстановления диазониевых солей является наиболее чистым и зеленым среди известных методов, поскольку не дает побочных продуктов за исключением _p-TsOH, которая легко растворяется в воде, не мешает процессу выделения продукта восстановления и может быть легко регенерирована.
Более детально процесс восстановления АДТ действием наночастиц Fe@C исследован на примере диазониевой соли 1. Мы показали, что АДТ 1 в водных растворах (концентрация 0.003 г/мл) при комнатной температуре медленно разлагается до п-нитрофенола за 72 ч, что является типичным для нуклеофильного замещения ароматических диазониевых солей [4]. При повышении температуры до 40 °С разложение АДТ 1 ускоряется, полная конверсия достигается за 12 ч; анализ реакционной массы методом ГХ-МС показывает,
что она состоит на 70% из ^-нитрофенола и 30% нитробензола 1а, т.е. помимо гидролиза проходит и частичное восстановление АДТ. Однако в присутствии 1,3 масс. % Fe@C при комнатной температуре скорость разложения АДТ 1 резко возрастает - диазониевая соль исчезает за 2,5 ч, т.е. на-ночастицы Fe@C выступают как эффективный катализатор гидро-дедиазонирования АДТ. При этом наночастицы Fe@C не только ускоряют разложение АДТ в водных растворах, но в корне меняют и направление реакции, поскольку в продуктах разложения обнаруживается только нитробензол 1а и не фиксируется ^-нитрофенол даже в примесных количествах.
Качественно тот же эффект наночастиц Fe@C наблюдается и при разложении АДТ 2-4, как с электронодонорными, так и акцепторными заместителями, т.е. обнаруженный процесс восстановления имеет общий характер. В таблице приведены время реакции и препаративные выходы полученных при восстановлении аренов1а-4а.
Таблица
Результаты гидро-дедиазонирования АДТ 1-4 в водной среде в присутствии 1.3 масс. % наночастиц Fe@C при 20°С Table. The results of hydro-dediaazonation of ADT 1-4 in water in the presence of 1.3 mass % of Fe@C nano
particles at 20°С
АДТ Продукт восстановления Время, ч. Выход, %
1 1а 2,5 (1а). 80(85а)
2 2а 3.5 75
3 3а 2.5 80
4 4а 3 85
Примечание: аэквимолярная добавка AcONa к АДТ
Note: aequimolar additive of AcONa to ADT
Чистоту и структуру полученных продуктов 1a-4a доказывали методом ЯМР и ГХ-МС, по результатам которых эти продукты не требуют дополнительной очистки. На примере АДТ 1 мы также показали, что добавки AcONa 1:1 АДТ ускоряют процесс восстановления до нитробензола 1а. Выделенные после реакции и промытые водой наночастицы Fe@C, как показано, практически не теряют активность и могут быть использованы повторно.
Также для сравнения мы исследовали возможности восстановления АДТ 1 при действии других углеродных материалов - терморасширенного и необработанного графита. Оказалось, что восстановление проходит при комнатной температуре и в присутствии 100 масс % данных материалов, но существенно медленней - 72 ч в присутствии терморасширенного графита и 120 ч под дей-
ствием необработанного графита. Несмотря на продолжительность, восстановление и в этом случае оказывается полностью селективным, в реакционных массах не обнаруживается и-нитрофе-нол, а нитрофенол 1а препаративно получен с выходом 85%.
Помимо поверхностной модификации на-ночастиц (Ме@С) АДТ способны также модифицировать поверхность графитовых электродов для вольтамперометрических методов анализа [16], однако водные растворы после процесса кова-лентной пришивки органического остатка на поверхность электродов не исследовались. Мы провели попытки электрохимического восстановления соли 1 на серебряном электроде при наложении циклического потенциала в пределах от минус 2,0 до 2,0 В без добавления вспомогательных электролитов. Оказалось, что при концентрации соли 1 0,0001 г/мл полное восстановление проходит за 3 ч. Водная фаза экстрагировалась этилаце-татом и методом ГХ-МС показано, что экстракт содержит только продукт 1а, т.е. электрохимическое восстановление проходит селективно. Однако, выделение продукта 1а в столь малых концентрациях из водных растворов весьма затратно, что не позволяет использовать данный электрохимический метод синтеза в препаративных целях. При увеличении концентрации АДТ 1 в воде до 0,01 г/мл поверхность серебряного электрода быстро покрывается визуально видимыми органическими слоями и процесс электрохимического восстановления прекращается. Таким образом, АДТ способны модифицировать поверхность не только графитовых, но и серебряных электродов. Факты модификации поверхности серебряного электрода солями диазония в литературе известны [17-19].
Таким образом, показано, что АДТ способны восстанавливаться через реакции гидро-дедиазонирования до углеводородов как химическими, так и электрохимическим методом. При действии нанокомпозитов Бе@С на АДТ в воде при комнатных температурах происходит полное и хемоселективное гидро-дедиазонирование последних. Хотя механизм этой реакции неясен, данный процесс является наиболее мягким и зеленым методом восстановления диазониевых солей до аренов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Спектры ЯМР 1Н и 13С записывали на спектрометрах Бгцкег АС-300, и БгикегАуайеШ 400 внутренний стандарт - ТМС. Температура плавления определялась на приборах Боейш и Е1ес1хо1Ьегша1-9100. ИК спектры сняты на ИК-Фурье спектрометрах №со1е1 5700 и БгикегТе^ог
27 в режиме МНПВО в таблетках KBr и без наполнителя на кристалле ZnSe. Спектры ГХ-МС получали на газовом хроматографе «ГХ Agilent 7890A с масс-селективным детектором Agilent 5975C», газ-носитель - гелий. Центрифугирование проводилось на центрифугах EppendorfMiniSpin+ и Sigma 2-16P при 10000 об/мин. Контроль за ходом реакции и чистотой полученных продуктов вели методом ТСХ на пластинках SorbfilПТсХ-П-А-УФ и Silufol UV-254. Детектирование пятен проводили УФ светом. Арендиазонийтозилаты1-4 получали по известному методу [10]. НанокомпозитыFe@C получены по методу [14] в Институте физики металлов УРО РАН.
Методика разложения 4-нитрофенилдиа-зоний тозилата 1 при 40 °С. 2 мМоль АДТ 1 (0,64 г) растворяли в 30 мл воды и выдерживали при перемешивании в течение 12 ч при 40 °С. Аликво-та реакционной массы (2 мл) экстрагировалась 3^2 мл этилацетата. Экстракт анализировался на ГХ-МС, соотношение п-нитрофенола и нитробензола 1а составило 70 % к 30 %.
Типовая методика восстановления ароматических солей диазоний в присутствии на-ночастиц Fe@C. 0.06 г (0.2 ммоль) АДТ(1-4) растворяли в 20 мл воды и прибавляли предварительно диспергированную суспензию 0.06 г Fe@C в 20 мл воды. Наблюдалось бурное выделение газообразного азота. После 2.5-3 ч (отрицательная проба на ß-нафтол) наночастицы отделялись в магнитном поле или центрифугировались, промывались этанолом и ацетоном. Водные суспензии экстрагировали 3^50 мл CH2Cl2. Экстракт сушили безводным натрием сернокислым, растворитель удаляли на роторном испарителе.
Нитробензол. Выход 80%. m/z (Iotn.,%) 134 (4.3) [M] +, 119 (18.1) 105 (38.3), 91 (100) 79 (48.9) 6 (31.9) 51 (19.1), 39 (61.7). 1HNMR (CCl4): 5 7,519 (2H, m), 7.65 (2H, m), 8,193 (d, J= 8.35 Hz). 13CNMR (CCU): 5 148.30, 134.71, 129.43, 123.46
Бензойная кислота. Выход 80%, m/z (Iotn.,%) 122 (80.9) 105 (100) 77 (75.3) 65 (2.7) 51 (36.5) 38 (2.4) 27 (3.6), 18 (2.8). 'HNMR (CCU): 5 7.45 (2H, m), 7.62 (2H, m), 8.12 (d, J=8.35 Hz), 12.09 (s, 1H). 13C NMR (CCU): 5 172.77, 133.83, 130.28, 129.44, 128.49.
Метоксибензол. Выход 75% yield. m/z (Iotn., %): 108 (100) 93 (13.9) 79 (11.8) 65 (53.9) 50 (6.5) 39 (19.7). 1H NMR (CCl4): 5 3.745 (1H, s), 6.880 (2H, m), 6,919 (2H, m), 7,259 (d, J= 8.35 Hz). 13C NMR (CCU): 5 159.66, 129.50, 120.72, 113.96, 55.06,
Бензонитрил. Выход 85%. m / z (Iotn.,%): 103 (100) 76 (29.3) 50 (9.9) 39 (3.0) 26 (1.0). 'HNMR (CCU): 5 7.33 - 7.74 (5H, m). 13CNMR (CCU): 5 132.84, 132.10, 129.21, 118.82, 112.41.
Работа поддержана программой «Наука» (код проекта 3.1344.2014) и частично грантом РФФИ 14-03-00743а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Broxton T.J., Bunnett J.F. // J. Org. Chem. 1977. V. 42. N 4.
P. 643 - 649.
2. Pazo-Llorente R., Maskill H., Bravo-Diaz C., Gonzalez-Romero E. // Eur. J. Org. Chem. 2006. N 9. P. 2201 - 2209.
3. Wassmundt F.W., Kiesman W.F. // J. Org. Chem. 1997. V. 62. N 24. P. 8304 - 8308.
4. Zollinger H. In The Chemistry of amino, nitroso, nitro and related groups. Ed. Patai, S. Wiley & Sons: New York. 1996. Supplement F2. Part 1. 636 - 637 p.
5. Fieser L.F., Heyman H. // J. Am. Chem. Soc. 1942. V. 64. N 2. P. 376 - 382.
6. Hendrickson J. B. // J. Am. Chem. Soc. 1961. V. 83. N 5. P. 1251 - 1251.
7. Rutherford K.G., Redmond W.A. // J. Org. Chem. 1963. V. 28. N 2. P. 568 - 571.
8. Isbir A.A., Solak A.O. // Anal. Cnim. Acta. 2006. V. 573. P. 26-33.
9. Kariuki J.K., McDermott. // Langmuir. 2001. V. 17. P. 5947-5951.
10. Filimonov V.D., Postnikov P.S., Krasnokutskaya E.A., Lee Y.M., Hwang H.Y., Kim H. and Ki-Whan Chi. // Org. Lett. 2008. V. 10. N 18. P. 3961 - 3964.
11. Kutonova K.V., Trusova M.E., Postnikov P.S., Filimonov V.D., Parello J. // Synthesis. 2013. V. 45. N 19. P. 2706 -2710.
12. Lee Y.M., Moon M.E., Vajpayee V., Filimonov V.D., Chi
K.-W. // Tetrahedron. 2010. V. 66. N 37. P. 7418 - 7422.
13. Isbir A.A., Solak A.O. // Anal. Cnim. Acta. 2006. V. 573. P. 26-33.
14. Ермаков А.Е., Уймин М.А. // ЖФХ. 2009. Т. 83. 1338; Ermakov, А.Е., Uiymin M.A. // Zhurn. Fizich. Khim. 2009. V. 83. 1338 (in Russian).
15. Постников П.С., Трусова М.Е., Федущак Т.А., Уймин М.А., Ермаков А.Е., Филимонов В.Д. // Рос. нанотех-нологии. 2010. Т. 5. № 7. С. 15-16;
Postnikov P.S., Trusova M.E., Fedushchak T.A., Uiymin M.A., Ermakov A.E., Filimonov V.D. // Rossiyskie nanotekhnologii. 2010. V. 5. N 7. P. 15-16 (in Russian).
16. Слепченко Г.Б., Мартынюк О.А., Трусова М.Е. Постников П. С., Фам Кам Ньюнг, Филимонов В.Д. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2009. Т. 75. Вып. 12. С. 11 - 14;
Slepchenko G.B., Martynyuk O.A., Trusova M.E., Postnikov P.S., Fam Kam Hyeng, Filimonov V.D. //
Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. 2009. V. 75. N 12. P. 11 - 14 (in Russian).
17. Liu Y.C., McCreery R.L . // J. Am. Chem. Soc. 1995. V. 117. N 45. P. 11254 - 11259.
18. Anariba F. // Anal. Chem. 2003. V. 75. N 15. P. 3837 - 3844.
19. D'Amours M., Belanger D. // J. Phys. Chem. B. 2003. V. 107. N 20. P. 4811 - 4817.
20. Дерябина В.И. , Акользина Т.В. , Нохойжав Г. // Фундамент. исследов. 2013. Вып. 8-3. C. 590-594; Deryabina V.I., Akolzina T.V., Nokhoiyzhav G. // Fundamentalnye issledovaniya. 2013. N 8-3. P. 590-594 (in Russian).
Кафедра биотехнологии и органической химии
УДК 54.126+ 54.32
В.Н. Глотова, М.К. Заманова, Т.Н. Иженбина, В.Т. Новиков ОЧИСТКА ЛАКТИДА МЕТОДОМ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ
(Национальный исследовательский Томский политехнический университет)
e-mail: glotovavn@gmail.com
Исследован процесс очистки лактида методом перекристаллизации из различных растворителей и с использованием адсорбентов. Содержание примесей в лактиде определяли методом ВЭЖХ и методом титрования по Фишеру. Показано, что использование адсорбентов существенно повышает чистоту получаемого лактида.
Ключевые слова: молочная кислота, лактид, полилактид
Лактид (дилактид) - циклический димер молочной кислоты (МК) - является основным сырьем для получения полилактида (полимолочной кислоты, ПЛ), а также незаменим в производстве сополимеров МК, которые относятся к группе биорезорбируемых полимеров. В последние годы использование биорезорбируемых полимеров на основе лактида в медицине осуществляется по следующим направлениям: шовные нити, эн-
допротезы в хирургии; искусственные ткани и органы в трансплантологии; травматология и ортопедия: различные шурупы, стержни и шины; в фармакологии - как основа для обеспечения пролонгированного усвоения медикаментов, принимаемых орально, парентерально (подкожные, внутримышечные инъекции), либо аппликационно в форме имплантатов, микросфер, либо наносфер [1].
Полученный из олигомера МК лактид-сы-
