CC BY
36
УДК 547.898 : 547.539 : 544.386+135 : 544.47.16 : 534.032.2
С. М. Плужник-Гладырь, И. М. Ракипов, С. А. Котляр
Особенности галогенирования бензо-и дибензокраун-эфиров в твердой фазе
Физико-химический институт им. А. В. Богатского Национальной академии наук Украины 65080, Украина, Одесса, Люстдорфская дорога, 86; тел./факс (048) 766-22-82
В отсутствие растворителя осуществлено твердофазное ароматическое галогенирование бен-зо- и дибензокраун-эфиров Ы-галогенсукцини-мидами. В оптимальных условиях механохи-мического воздействия бензокраун-эфиры, в зависимости от стехиометрии реакции, селективно и с высокими выходами трансформируются в соответствующие моно- либо дигалогенп-роизводные. Дибензокраун-эфиры в аналогичных условиях образуют смеси продуктов.
Ключевые слова: ароматические краун-эфи-ры, Ы-галогенсукцинимиды, твердофазный синтез, механохимическая активация, селективное галогенирование.
Бром- и иодзамещенные в ароматическом ядре бензо- (БКЭ) и дибензокраун-эфиры (ДБКЭ) находят применение в химии макроге-тероциклов, как синтоны экзотических краун-соединений и фталоцианинов, комплексоны, экстрагенты и биологически активные вещества, а соответствующие хлораналоги практически не изучены. В связи с этим представляет несомненный интерес поиск новых и модификация существующих способов получения указанных соединений.
Хлорирование ароматических краун-эфи-ров (КЭ) молекулярным хлором не селективно и приводит исключительно к перхлораромати-ческим макроциклам 1 2. При бромировании обычно используют молекулярный бром либо Ы-бромсукцинимид 3' 4, а для иодирования необходимо участие сильных окислителей 4-6.
Интенсификация превращения веществ является одной из главных задач современной химии. Осуществляя поиск новых эффективных путей галогенирования БКЭ и ДБКЭ, мы использовали метод механохимической активации твердых реагентов в отсутствие растворителя. Как известно, в результате такой обработки, возрастает реакционная способность твердых веществ, ускоряются химические реакции между твердофазными компонентами либо сама твердофазная реакция протекает в момент механохимического воздействия 7-10. Замена жидкостных технологий на «сухие», не требующие использования различного рода растворителей и их последующего удаления
Дата поступления 04.03.08
и регенерации, актуальна в малотоннажном органическом синтезе.
Впервые исследована твердофазная реакция в отсутствие растворителя бензо-12-краун-4 (1), бензо-15-краун-5 (2), бензо-18-краун-6 (3), [3.3]дибензо-18-краун-6 (4) и [4.4]дибен-зо-24-краун-8 (5) с Ы-хлор- (ХС), Ы-бром-, (БС) и Ы-иодсукцинимидом (ИС).
1-3 4, 5
1, п = 1; 2, п =2; 3, п =3 4, п = 1; 5, п = 2
Примеры использования механохимичес-кой обработки (активации) при синтезе либо функционализации КЭ, нам неизвестны. Отметим также, что ранее, ХС и ИС для галоге-нирования краун-соединений не применялись.
Процесс проводили в электромеханической герметичной вибрационной агатовой ступке, при фиксированных времени и интенсивности амплитуды колебаний шара. В экспериментах использовались тщательно очищенные Ы-галогенсукцинимиды (ГД).
Установлено, что в оптимальных условиях механохимического воздействия при соотношении субстрат : ГД = 1 : 1 либо 1 : 2, галогенирование БКЭ 1—5 протекает неселективно и зависит от природы реагентов. Так, соединения 1—3, во всех опытах с ГД конвертируют не полностью, образуя смеси 41- и 41,51-замещенных БКЭ. Реакционная способность ДБКЭ 4, 5 в обсуждаемой реакции неодинакова. Они не реагируют с ХС, но легко трансформируются в моно- и дибромпроизводные под действием БС. В этих же условиях ИС практически не иодирует 18-членный КЭ 4 (единственный продукт, соответствующий моноиодид, обнаружен лишь в следах), в то время, как больший по размерам макроцикл 5 полностью превращается в моно-, ди- и трииодиды.
Мы исследовали влияние различных (нейтральный оксид алюминия, силикагель, твердые органические кислоты и др.) добавок на конверсию субстрата и селективность процесса. Наилучшие результаты достигнуты при разбавлении смеси моногидратом п- толуол-сульфокислоты (ПТСК), уже применявшемся ранее в твердофазном синтезе 11.
Обнаружено, что при механохимической активации в присутствии ПТСК, БКЭ 1—3 быстро (1 ч) и селективно реагируют с ГД, в зависимости от стехиометрии (БКЭ:ГД = 1:1 либо 1 : 2) реакции, образуя продукты 41- (6—14) либо 4!,5!- (15—23) замещения (схема 1). В большинстве (бромирование, иодирование) случаев, после простой очистки, целевые краун-соединения реактивной чистоты выделены с выходами более 85—90 %.
БКЭ:ГД:ПТСК = 1 :1:1
R гЛ
XXO
O
гЛ
С
1-3
6-14
R = Cl; 6, n = 1 ; 7, n = 2; 8, n =3;
R = Br;9, n= 1 ; 10, n = 2; 11, n =3;
R = I; 12, n = 1; 13,n=2; 14, n =3;
O^ytO
RXXO Р-
БКЭ : ГД : ПТСК = 1 : 2 : 2
O
15-23
R = Cl;15,n = 1;16, n = 2;17,n =3; R = Br;18,n = 1;19, n = 2;20, n =3; R = I; 21,n = 1; 22,n = 2;23,n=3;
Схема 1
Селективное хлорирование БКЭ до соответствующих хлоридов 6—8 (выходы 71—80 %) осуществлено впервые. Увеличение соотношения БКЭ : ХС до 1 : 2, приводит к смеси хлор-производных, дробной кристаллизацией которой, с выходами 16—31 % удалось выделить дихлориды 15—17. Отметим, что при аналогичных превращениях БС и ИС, продукты альтернативного галогенирования, равно, как и исходные БКЭ, отсутствуют либо отмечены в следах, что значительно упрощает выделение макроциклов 9-14,18-22.
В то же время, в экспериментально найденных оптимальных условиях, при соотношении ДБКЭ : ГД = 1 : 2 либо 1 : 4, провести селективное галогенирование ДБКЭ 4 и 5 не удается. Отметим лишь, что нами получены смеси веществ, причем, анализ продуктов иодирования также указывает на значительно большую реакционную способность полиэфира 5, сравнительно с соединением 4.
Структура синтезированных БКЭ 6-23 доказана с помощью ЯМР спектроскопии, масс спектрометрии (табл. 1), состав — элементного анализа. Индивидуальность полученных продуктов контролировали методом тонкослойной хроматографии (ТСХ), в большинстве случаев использовались соединения-свидетели.
Обнаружено, что механохимическая активация эффективна и при твердофазном синтезе комплексов КЭ с ионными «гостями». Нами впервые осуществлены подобные превращения.
Так, цис-син-цис-изомер дициклогексано-18-краун-6 (24), с количественным выходом (2 ч) образует с хлорохроматом калия КСг03С1 комплекс, состава 1 : 1 (25), реакционная способность цис-анти-цис-изомера (26) намного ниже, а выход соответствующего комплекса (27) того же состава, составляет лишь 10%. Количественный выход комплекса (28), состава 1 : 1, отмечен и при взаимодействии БКЭ 11 и КСг03С1. Простой и эффективный способ выделения позволяет получать чистые продукты даже при низких (комплекс 25) выходах. Соединения 25, 27, 28 содержат 98.1— 99.2 % основного вещества, их физико-химические характеристики и данные элементного анализа хорошо совпадают с таковыми для комплексов (строение и состав которых определены рентгеноструктурным исследованием 12, 13), полученных нами по другим методикам.
Таким образом, предложенный способ ме-ханохимической активации в твердой фазе, впервые позволил осуществить селективное хлорирование, бромирование и иодирование БКЭ однотипными реагентами, а именно, Ы-галоген-сукцинимидами. Несомненны перспективы твердофазного синтеза и при получении комплексных соединений типа «хозяин—гость».
Экспериментальная часть
Твердофазный синтез проводили в электромеханической герметичной вибрационной агатовой ступке «КМ—1» (Германия). Спектры ЯМР записывали на спектрометре Уапап WXR 300, с рабочей частотой 299.95 МГц, в растворах CDC13 и ДМСО^, внутренний стандарт — Ме4Б1. Масс спектры получали на масс спектрометре МХ 1321, с использованием системы прямого ввода, ионизирующее напряжение 70эв, температура камеры ионизации 220 оС. УФ спектры снимали на приборе УБи 2Р, в диапазоне 360—380 нм, кювета толщиной 0.2 см. ТСХ проводили на пластинах БИ^о!
Таблица 1
Химические сдвиги протонов (д, м.д.), интегральные интенсивности, мультиплетность и КССВ (Лнн, Гц), молекулярные ионы бензокраун-эфиров VI-XXIII
Краун-соединение* Ндг CH2CH2O М+
6 Хлорбензо12 7.05, с 6.94-6.96, д J = 9.2 6.90-6.92, д J = 9.2 4.29-4.22, м, т; 4.20-4.08, м; 3.78, c 258
7 Хлорбензо15 6.92, c 6.86-6.88, д J = 8.4 6.77-6.79, д J = 8.4 4.13-4.08, т; 3.92-3.87, т; 3.75, c J = 4.4 302
8 Хлорбензо18 6.87-6.89, д J = 8.1 6.84, с 6.76-6.79, д J = 8.1 4.16-4.12, т; 3.92-3.90, т; 3.70-3.76, м; 3.68, с J = 4.1 346
9 Бромбензо12 7.20, с 7.08-7.04, д J = 8.1 6.74-6.71, д J = 8.1 4.15, м; 3.84, м; 3.77, c 302
10 Бромбензо15 7.07, дд 7.03-6.97, д J = 8.45 6.75-6.72, д J = 8.45 4.12-4.09, т; 3.91-3.88, т; 3.75, c J = 4.4 346
11 Бромбензо18 7.02, с 7.02-6.98, д J = 7.8 6.76-6.73, д J = 7.8 4.16-4.11, т; 3.92-3.89, т; 3.77-3.70, м; 3.68, с J = 4.05 390
12 Иодбензо12 7.28-7.24, д J = 9.0 6.74-6.71, д J = 9.0 - 4.17-4.14, т; 3.86-3.84, т; 3.78, c J = 4.4 350
13 Иодбензо15 7.22-7.18, дд J = 8.4; J/ = 1.85 7.13-7.12, д J = 1.85 6.63-6.60, д J = 8.4 4.12-4.09, т; 3.91-3.88, т; 3.75, c J = 4.4 394
14 Иодбензо18 7.24, с 7.12-7.08, д J = 8.4 6.82-6.78, д. J = 8.4 4.15-4.12, т; 3.92-3.90, т; 3.86-3.80 м; 3.68, c J = 4.4 438
15 Дихлорбензо12 7.01, с - - 4.19-4.14, т; 3.87-3.83, т; 3.78, c J = 4.3 292
16 Дихлорбензо15 6.92, c - - 4.25-4.10, т; 3.99-3.89, т; 3.74, c J = 5.3 336
17 Дихлорбензо18 6.92, с - - 4.15-4.11, т; 3.92-3.89, т; 3.77-3.70 м; 3.68, c J = 4.3 380
18 Дибромбензо12 7.15, с - - 4.15-4.10, т; 3.97-3.87, т; 3.72, c J = 5.1 380
19 Дибромбензо15 6.92, с - - 4.07-4.02, т; 3.83-3.81, т; 3.66, с J = 4.3 424
20 Дибромбензо18 7.08, с - - 4.15-4.10, т; 3.91-3.88, т; 3.76-3.69 м; 3.67, c J = 4.3 468
21 Дииодбензо12 7.41, с - - 4.18-4.13, т; 3.85-3.82, т; 3.78, c J = 4.0 476
22 Дииодбензо15 6.91, с - - 4.21-4.10, т; 3.85-3.76, т; 3.67, с J = 4.5 520
23 Дииодбензо18 7.26, с - - 4.11-4.09, т; 3.90-3.87, т; 3.75-3.70 м; 3.67, c J = 4.65(4.35) J/ = 5.6 564
UV254 (Kavalier) в следующих системах растворителей: н-гексан—хлороформ = 2 : 1, 3 : 1 либо 5 : 2; н-гексан-ацетон = 2 : 1, н-гексан-этилацетат = 7 : 3, этилацетат (проявление в парах иода либо УФ свете).
Краун-соединения 1—5 содержали не менее 98% основного вещества. N-Хлорсукцини-
14
мид синтезировали по методике 14, реактив фирмы Acros дополнительно очищали (т.пл. 144—150 оС) кристаллизацией из бензола. N-Бромсукцинимид (т.пл. 175—178 оС) полу-
15
чали, как это описано в 15, использовали также очищенный (Acros) реактив. N-иодсукцини-мид (т.пл. 200—201 оС) синтезировали аналогично 16' 17. Чистота N-галогенсукцинимидов
(титриметрически, по 18) составляла не менее 98—99 %. Содержание хрома (VI) в комплексах КЭ с КСг03С1 определяли прямым титрованием солью Мора по методике 19, а УФ спек-трофотометрически — по разработанной нами методике.
Краун-эфиры 6—23
В электромеханическую вибрационную ступку помещали смесь 5 ммоль БКЭ 1—3, 5 (либо 10) ммоль Ы-галогенсукцинимида, 5 (либо 10) ммоль ПТСК моногидрата и 1 ч подвергали (амплитуда 14) механохимической обработке. По окончании, смесь выгружали
и тщательно промывали 2 х 3—5 мл воды. Фильтровали, сухой остаток сушили при пониженном давлении до постоянной массы, затем кристаллизовали из н-гексана либо н-геп-тана, за исключением соединений 15—17, выделенных дробной кристаллизацией. Получено (приведены БКЭ, выход, т.пл., брут-то-формула): 6, 71%, 57—58 оС, С12Н15С104; 7, 80%, 85—86.5 оС, С14Н19С105; 8, 70%, 58—59 оС, С16Н23С106; 9, 91%, 58—59 оС, С12Н15Вг04; 10, 95%, 67—68.5 оС, С14Н19Вг05; 11, 92%, 80—82 оС, С16Н23Вг06; 12, 90%, 71—72 оС, С12Н15Ю4; 13, 95%, 80—81 оС, С14Н19105; 14, 93%, 108—109 оС, С16Н23106; 15, 22%, 86—87.5 оС, С12Н14С1204; 16, 16%, 93—95 оС, С14Н18С1205; 17, 31%, 74—74.5 оС, С16Н22С1206; 18, 89%, 79—80 оС, С^Н^В^; 19, 94%, 84.5—85 оС, С14Н18Вг205; 20, 90%, 90—92 оС, С16Н22Вг206; 21, 94%, 104—105 оС, С12Н141204; 22, 87%, 98—99 оС, С^Н^^; 23, 93%, 91—92.5 оС, С16Н221206.
Комплекс 25
Смесь 234 мг (0.63 ммоль) цис-изомера 24 и 100 мг (0.573 ммоль) КСг03С1 подвергали (2 ч) механохимической обработке в электромеханической ступке, амплитуда — 14. Смесь промывали 3 мл н-гексана, фильтровали, твердый остаток промывали 2 мл сухого этилацета-та, осадок отфильтровывали, сушили при пониженном давлении до постоянной массы. Получено 310 мг (99%) комплекса, т. разл. 149— 150 оС (лит. 148—51 оС 12). Найдено, %: С 43.99, Н 6.58, С1 6.57, Сг 9.64. С20Н36С1СгК09. Вычислено, %: С 43.91, Н 6.63, С1 6.48, Сг 9.50%. Содержание (УФ) основного в-ва, %: 99.2.
Комплекс 27
Аналогично, из транс-изомера 26 и КСг03С1, получено 32 мг (10%) комплекса, т.разл. 146—148 оС (лит. 148—151 оС 12). Найдено, %: С 44.02, Н 6.60, С1 6.53, Сг 9.60. С20Н36С1СгК09. Вычислено, %: С 43.91, Н 6.63, С1 6.48, Сг 9.50%. Содержание (УФ) основного в-ва, %: 98.1.
Комплекс 28
Аналогично, из КЭ 11 и КСг03С1, получено 277 мг (99%) комплекса, т. разл. 174—175 оС
(лит. 162-165 оС 13). Найдено, %: C 34.05, H
4.11, Cr 9.25. C16H23BrClCrKO9. Вычислено, %: C 33.97, H 4.10, Cr 9.19. Содержание (УФ)
основного в-ва, %: 98.7.
Литература
1. Luboch E., Cygan A., Biernat J. F. // Tetrahedron.- 1990.- Vol. 46.- № 7.- P. 24612472.
2. Pannell K. H., Yee W., Lewandos G. S., Hambrick D. C. // J. Amer. Chem. Soc.-1977.- Vol. 99.- P. 1457-1461.
3. Горбунова Ю. Г., Комарова Ю. О., Демин С. В., Мешков С. В., Цивадзе А. Ю. // Коорд. хим.-1997.- Т. 23, № 7.- С. 553-556.
4. Котляр С. А., Плужник-Гладырь С. М. В сб.: Мономеры для термостойких полимеров.-1990.- М., НИИТЭХИМ.- С. 74-80.
5. Klyatskaya S. V., Tretyakov E. V., Vasilev-sky S. F. // Arkivoc.- 2003.- Vol. 13.- P. 21-34.
6. Hyde E. M., Shaw, B. L., Shepherd I. // J. Chem. Soc. Dalton Trans.- 1978.- P. 16961705.
7. Симонеску К., Опрел К., Механохимия высокомолекулярных соединений.- М.: Мир, 1970.- 614 с.
8. Хайникс Г. Трибохимия.- М.: Мир, 1987.- 582 с.
9. Авакумов Е. Г. Механические методы активации химических процессов.- Новосибирск: Наука, 1986.- 305 с.
10. Болдырев В. В. // Журн. Всесоюз. хим. о-ва им. Д. И. Менделеева.- 1988.- Т. 33.- С. 374383.
11. Краснокутская Е. А., Лесина Ю. А., Горлуш-ко Д. А., Филимонов В. Д. // Журн. орг. хим.- 2005.- Т. 41.- Вып. 6.- С. 876-880.
12. Kotlyar S. А., Zubatyuk R. I., Zhigalko M. V., Shishkin O. V., Chuprin G. N., Kiriyak A. V., Kamalov G. L. // Acta Crystallographica, Section E.- 2004.- E60.- m1847 - m1848.
13. Kotlyar S. A., Shishkina S. V., Shishkin O. V., Pluzhnik-Gladyr S. M., Kiriyak A. V., Chuprin G. N., Kamalov G. L. Acta Crystallographica, Section E.- 2006.- E62.- m120 - m122.
14. Zimmer H., Audrieth L. F. // J. Amer. Chem. Soc.- 1954.- Vol. 76.- P. 3856-3857.
15. Мачинская А. В., Бархаш В. А. В сб.: Реакции и методы исследования органических соединений. — М.: ГНТИХТ, 1959.- Кн. 9.- С. 289375.
16. Org. Synth. Coll.- 1973.- Vol. 5.- P. 663-664.
17. Чайковский В. К., Скороходов В. И., Филимонов В. Д. // Журн. орг. хим.- 2001.- Т. 37.-Вып. 10.- С. 1572-1573.
18. Крешков А. П. Основы аналитической химии.-М. Химия, 1976.- Т. 2.- С. 480.
19. Шарло Г. Методы аналитической химии.- М.: Химия, 1965.- 670 с.
