CC BY
99
УДК 547-304.2:547-304.4:547-302
ПРОСТОЙ И ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕТОД ДИАЗОТИРОВАНИЯ-ИОДИРОВАНИЯ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ В ВОДНЫХ ПАСТАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СИСТЕМ: NaNO2/п-ТОЛУОЛСУЛЬФОКИСЛОТА И NaNO2/NaHSO4
Д.А. Горлушко, В.Д. Филимонов, Н.И. Семенищева, Е.А. Краснокутская, А.Н. Третьяков, Bong Seong Go*, Ho Yun Hwang*, Eun Hye Cha*, Ki-Whan Chi*
Томский политехнический университет E-mail: filimonov@tpu.ru *Ульсанский университет, г. Ульсан, Южная Корея
Предлагается новый, удобный и эффективный метод получения ароматических иодидов из анилинов реакцией диазотирова-ния-иодирования под действием NaNO2/KI/p-TsOH или NaHSO4 при 20 °С в водной пасте. Разработанный метод отвечает требованиям «зеленой химии», предъявляемым к современным химическим процессам.
Ароматические иодиды являются важными, а порой незаменимыми строительными блоками многих химических превращений [1]. Кроме того, эти соединения представляют значительный интерес, являясь лекарственными препаратами и медицинскими диагностикумами [2].
Недавно нами предложен одностадийный метод диазотирования-иодирования ароматических аминов под действием №Й02/К1/п-толуолсульфо-кислота (р-Т80Н) в ацетонитриле [3]. Указанный метод обеспечивает высокие выходы широкого ряда арилиодидов, однако использование органического растворителя (ацетонитрил) не отвечает требованиям «зеленой химии», предъявляемым к современным химическим процессам [4]. Обнаружена возможность препаративного получения ари-лиодидов из соответствующих аминов через промежуточное диазотирование под действием системы №К02/К1/р-Т80Н без растворителя путем растирания компонентов в агатовой ступке в отсутствие органического растворителя. При этом установлено, что при растирании смеси п-нитроанили-на, гидрата р^0Н, №К02 и К1 при 20 °С происходит выделение окрашенных газов (оксиды азота), реакционная масса приобретает оранжевый цвет и тонкослойная хроматография (ТСХ) показывает образование лишь следовых количеств п-нитроиодбензола, наряду с непрореагировавшим субстратом и другими продуктами. Выдерживание
смеси в течение 12 ч. хроматографическую картину качественно не изменяет. Другие ароматические амины также образуют только следовые количества соответствующих арилиодидов. Таким образом, этот метод, казалось бы, должен быть признан бесперспективным для диазотирования и иодирования. Однако мы нашли, что добавление стехиоме-трических количеств воды (5 ммоль на 1 ммоль субстрата) к смеси п-нитроанилина (5), нитрита натрия и рЛЮН до формирования пастообразного состояния и растирание образующейся пасты в течение нескольких минут приводят к полной конверсии субстрата и образованию соответствующего тозилата арилдиазония ЛгК2+р-0Т^, что подтверждалось его положительной реакцией с ^-нафто-лом и данными ИК-спектроскопии (в области 2308 см-1 имеется полоса поглощения, обусловленная тройной связью
Последующее прибавление к полученной пастообразной смеси иодида калия и растирание в течение нескольких мин. дает п-нитроиодбензол (5а). Оказалось, что данная методология диазоти-рования-иодирования применима ко многим ароматическим аминам, обеспечивая высокие, как правило, выходы арилиодидов (табл.).
Также было найдено, что п-толуолсульфоки-слота может быть с успехом заменена на более дешевый и экологически безопасный гидросульфат натрия (№Ш04) (табл.).
O2N \\ // 1\П2 + p-isun + iMaiMO2 + П20
Схема 1. Диазотирование п-нитроанилина в водной пасте
NH2 N2+OTs-
Растирание до
пастообразного
состояния
Т-R
3 p-TsOH, 2 NaNO2, 7,5 H2O
Механическая активация, 20 °С
-hR
2,5 KI
т—R
Механическая (40...80 %)
активация, 20 °С
где, Н=п-0Ме (1), п-1 (2), о-1 (3), 2,4,6-СI (4), п-Ы0г (5), о-Ш2 (6), 2,4-ЫО^ (7), п-СОМе (8), о-СОМе (9), о-СООН (10) Схема 2. Диазотирование-иодирование аминов в водных пастах
Таблица. Взаимодействие ароматических и гетероциклических аминов (1-13) с системой ЫаЫОг/К/р-ТзОН (N8450^) в водных пастах при 20 °С, время реакции 20 мин
Важно отметить, что замена воды на органические растворители, т. е. проведение процесса диа-зотирования в пастах этанола, ДМСО или уксусной кислоты не приводит к успеху - соли диазония не образуются (отрицательная проба с ^-нафтолом).
Для лучшего понимания природы происходящих в пастообразном состоянии реакций диазоти-рования-иодирования было проведено микроскопическое наблюдение динамики протекающих превращений с помощью бинокулярного светового микроскопа «Микромед 2» с 40- и 100-кратным увеличением. Надо отметить, что подобный метод исследования по понятным причинам является нетипичным и новым для органического синтеза.
Данное исследование было проведено на примере иодо-дезаминирования п-аминоацетофенона (8). Получающиеся пасты представляют собой комбинацию жидкой и твердой фаз. На рисунке приведены фотографии тонкого слоя паст различных стадий реакций данного амина с р-Т80Н, нитритом натрия и иодидом калия. Рисунок, а представляет изображение слоя пасты исходного амина (8), существующего в форме пластинчатых кристаллов. После прибавления р-Т80Н визуально наблюдается почти мгновенный (несколько секунд) переход пластинчатых кристаллов в игольчатые, которые являются толуолсульфонатной солью п-аминоацетофенона р-КН3-С6Н4С0Ме р-Т80- (рисунок, б). Дальнейшее прибавление к смеси нитрита натрия приводит в течение нескольких минут к
преобразованию игольчатых кристаллов аммонийной соли в полиэдрические образования соответствующей соли диазония (рисунок, в). При последующем прибавлении К1 наблюдается в тонком слое бурная самопроизвольная реакция с выделением азота, и в течение 1...2 мин происходит исчезновение кристаллов соли диазония и возникновение ромбических кристаллов конечного продукта - п-иодацетофенона (8а) (рисунок, г).
Идентификация приведенных кристаллических форм подтверждена сравнением формы кристаллов с предварительно полученными образцами амина, его тозилатной соли, соли диазония и продукта иодирования.
Полученные результаты демонстрируют весьма редкий пример для органической химии прямого визуального наблюдения динамики реакции с образованием и превращением исходных и промежуточных продуктов.
Таким образом, механизм иодо-дезаминирова-ния аминов в пасте, как и следовало ожидать, оказывается в принципе сходным с теми же реакциями в растворе (однотипные ключевые промежуточные соединения). Однако в целом протекающие в этом коллоидном состоянии физико-химические процессы достаточно сложны и многообразны, и их детальное описание не входит в задачу данной работы. Простейшей, очень приближенной моделью может быть следующая. Пастообразное состояние включает кристаллическую и жидкую фа-
зы, в которой, собственно, и протекают описанные химические реакции. При этом происходит растворение в жидкой фазе кристаллов исходных соединений и, напротив, кристаллизация интермедиатов и продуктов. Тогда высокая скорость реакций в пасте определяется лишь предельно высокой концентрацией субстратов в ее жидкой фазе. Данная гипотеза хорошо объясняет исключительную роль воды в сравнении с другими исследованными сольвентами (EtOH, ДМСО, АсОН). Образующиеся диазониевые соли, а также нитрит натрия, добавляемый в реакционную смесь, имеют ионную природу и лучше растворимы в более полярной воде (диэлектрическая проницаемость s=78,5), чем в этаноле (s=24,3), ДМСО (е=49,0), АсОН (е=6,9).
Однако эта простейшая модель не учитывает специфики многообразных межфазовых массопере-носов и иных физико-химических факторов, которые, возможно, оказывают важнейшее влияние на процесс. К этим факторам, прежде всего, следует отнести вклады энергий поверхностного натяжения (капиллярные эффекты), баланс энергий растворения и кристаллизации, реакции, протекающие на поверхностях и границах раздела фаз и др. Что касается механизмов диазотирования и последующего замещения диазогруппы на иодид-ион в исследуемых условиях, вероятно, они принципиальным образом не отличаются от таковых в растворах [5, 11].
Подводя итоги можно резюмировать, что впервые показана возможность получения арилиодидов из соответствующих аминов через промежуточное диазотирование в водном пастообразном состоянии. Предложенный метод чрезвычайно прост в выполнении. Реакции проходят в течение нескольких мин., не требуют процедур охлаждения или нагревания и практически не сопровождаются осмо-лением. Разработанные условия получения ароматических иодидов в отсутствие органического растворителя эффективны для широкого круга аминов, содержащих как электронодонорные, так и электроноакцепторные заместители.
Безусловным преимуществом предлагаемого подхода является весьма ограниченное использо-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Меркушев Е.Б. Успехи в синтезе иодароматических соединений // Успехи химии. - 1984. - Т. 53. - № 4. - C. 583-594.
2. Yu S.-B., Watson A.D. Metal-Based X-ray Contrast Media // Chem. Rev. - 1999. - V. 99. - № 9. - P. 2353-2377.
3. Krasnokutskaya E.A., Semenischeva N.I., Filimonov V.D., Knochel P.A. New, One-Step, Effective Protocol for the Iodination ofAromatic and Heterocyclic Compounds via Aprotic Diazotization ofAmines // Synthesis. - 2007. - № 1. - P. 81-84.
4. Кустов Л.М., Белецкая И.П. «Green chemistry» - новое мышление // Российский химический журнал. - 2004. - Т. 48. - № 6. - C. 3-12.
5. Furniss B.S., Hannaford A.J., Smith P.W.G., Tatchell A.R. Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry. 5th ed. - London: Longman, 1989. - 1514 p.
6. Wilgerodt C., Wilke K. Ueber die Grenzen der Reaktionsfaehigkeit der Chlor-monojod-benzole in Bezug auf die Bildung von verbin-
вание органических растворителей, которые в ряде случаев удалось полностью исключить из процессуальной схемы. Такое проведение органической реакции отвечает самым жестким требованиям, предъявляемым к современному органическому синтезу. Присутствие стехиометрических количеств воды обеспечивает дополнительную безопасность процесса.
Общая методика получения арилиодидов (1а-13а) из соответствующих аминов под действием NaNO2/KI/p-TsOH (NaHSO4). Ароматический амин (2 ммоль) растирали с 6 ммоль твердого гидрата п-то-луолсульфокислоты (1,14 г) или NaHSO4 (0,6 г) в присутствии 0,2 мл воды (15 ммоль) в агатовой ступке в течение нескольких мин. Затем добавляли NaNO2 (0,28 г, 4 ммоль), и реакция диазотирования протекала приблизительно в течение 10 мин при периодическом растирании (образование соли диазо-ния подтверждается тестом на ß-нафтол). По завершении диазотирования к пастообразной соли диазо-ния добавляли иодистый калий (0,83 г, 5 ммоль), и реакционная масса периодически растиралась в течение 10 мин. Реакция иодирования начиналась мгновенно, сразу же после добавления KI объем пастообразной массы увеличивался вследствие выделения азота. В целом процесс диазотирования-иодиро-вания занимал 20 мин. Водные пасты, содержащие арилиодиды (1а-13а), обрабатывали водой и 10 % водным раствором Na2SO3, осадок арилиодида отфильтровывали (или экстрагировали эфиром). Чистые продукты выделяли перекристаллизацией или колоночной хроматографией. Для соединений (3а, 9а) спектральные данные приведены ниже.
1,2-Дииодбензол (3а): кристаллизующееся масло,
1H NMR (300 МГц, CDCl3): 5=7,0 (м, J=1,5; 8,0; 7,2 Гц, 2 H), 7,8 (м, J=0,3; 8,0; 1,5; 2 H). 13C NMR (75 МГц CDCl3): 5=107,9; 128,8; 138,9.
2-Иодацетофенон (9а):
'H NMR (300 МГц, CDCl3): 5=2,47 (с, 3 H, COCH3), 7,0...7,3 (м, 3 H), 7,8 (d, J=7,8 Гц, 1 H). 13C NMR (75 МГц, CDCl3): 5=29,1; 90,7; 128,0; 131,6; 140,5; 143,5; 200,1.
dundungen mit mehrwertigem Jod // Ber. Deutsch. Chem. Ges. -1910. - Bd. 3. - № 14. - P. 2746-2756.
7. Smith W.B., Ho O.C. Application of the isoamyl nitrite-diiodo-methane route to aryl iodides // J. Org. Chem. - 1990. - V. 55. -№ 8. - P. 2543-2545.
8. Bunnett J.F, Conner R.M. Improved preparation of 1-iodo-2,4-di-nitrohenzene // J. Org. Chem. - 1958. - V. 23. - № 2. - P. 305-306.
9. Ogata Y., Urasaki I., Ishibashi T. Reactions of biphenyl, diphenyl-methane, and bibenzyl with acetyl hypoiodite // J. Chem. Soc., Per-kin Trans. I. - 1972. - № 2. - P. 180-184.
10. Kryska A., Skulski L. Improved, acid-catalyzed iodinating procedures for activated aromatics with (diacetoxyiodo)benzene as the oxidant // J. Chem. Res. (S). - 1999. - № 10. - P. 590-591.
11. Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии. - М.: Химия, 1991. - 448 с.
Поступила 29.02.2008 г.
