Синтез дикарбоновых кислот в реакциях окислительного сочетания енолятов ацилатов лития под действием иода Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.712.:547.124

А. Р. Чанышева (к.х.н., доц.), А. В. Зорин (к.х.н., в.н.с.), В. В. Зорин (член-корр. АН РБ, д.х.н., проф., зав.каф.)

СИНТЕЗ ДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ В РЕАКЦИЯХ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СОЧЕТАНИЯ ЕНОЛЯТОВ АЦИЛАТОВ ЛИТИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОДА

Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра биохимии и технологии микробиологических производств 450062, Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431935, e-mail: [email protected]

A. R. Chanysheva, A. V. Zorin, V. V. Zorin

SYNTHESIS OF DICARBOXYLIC ACIDS IN OXIDATIVE COUPLING REACTION OF LITHIUM ACYLATES ENOLATES WITH IODINE

Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. +7(347) 2431935, e-mail: [email protected]

Взаимодействие металлированных диизопропил-амидом лития карбоновых кислот с молекулярным иодом в тетрагидрофуране в атмосфере аргона при нормальных условиях приводит к образованию соответствующих дикарбоновых кислот с выходами 40—92 %. Выходы дикарбоновых кислот зависят от строения енолят-анио-нов, и эта зависимость имеет экстремальный характер при переходе от енолят-анионов, содержащих анионоидный центр у первичного а-атома углерода, ко вторичному и третичному. Наиболее высокие выходы дикарбоновых кислот достигаются при окислительном сочетании енолят-анионов с анионоидным центром у вторичного -атома углерода.

Ключевые слова: диастереомер; дикарбоно-вые кислоты; металлирование; СН-кислоты; окислительное сочетание.

Известно, что в реакции металлированных этиловых эфиров ацетоуксусной и малоновой кислот с иодом и алкилгипохлоритами в эфире при нормальных условиях образуются соответствующие продукты окислительного сочетания 1-4. Показана возможность вовлечения в эту реакцию менее активных СН-кислот 5'6. Приведены примеры окислительного сочетания металлированных диизопропиламидом лития 1 (ЬЭЛ) уксусной, масляной, изомасля-ной, фенилуксусной, дифенилуксусной, циклопропан- и циклобутанкарбоновых кислот и др. под действием различных реагентов 5-9.

С целью изучения влияния строения анио-ноидного центра енолятов ацилатов лития на выходы дикарбоновых кислот в реакциях окислительного сочетания было исследовано

Дата поступления 01.05.14

Interaction of carboxylic acids, metallated by lithiumdiisopropylamide, with iodine in tetra-hydrofuran in the atmosphere of argon under normal conditions leads to formation of corresponding dicarboxylic acids with 40—92 % yields. Yields of dicarboxylic acids depend on enolate-anion structure and this dependence has extreme character when passing from enolate-anions with primary -carbon anionoid center, to secondary and then tertiary. Maximum yields of dicarboxylic acids are obtained in oxidative coupling reaction of enolate anions, containing secondary -carbon anionoid center.

Key words: diastereomer; dicarboxylic acids; enolate-anion; CH-acids; metallation; oxidative coupling.

взаимодействие металлированных карбоновых кислот, содержащих первичный, вторичный и третичный -атомы углерода с молекулярным иодом.

Установлено, что взаимодействие металлированных ЬЭЛ 1 уксусной 2, масляной 3, изомасляной 4, валериановой 5, изовалериано-вой 6, капроновой 7, энантовой 8 и фенилук-сусной 9 кислот с кристаллическим иодом 10 при мольном соотношении реагентов 1:2— 9:10=4:2:1 в ТГФ в атмосфере аргона при нормальных условиях (20—25 0С) в течение 2 ч приводит к образованию литиевых солей соответствующих дикарбоновых кислот, при обработке которых соляной кислотой выделяются соответственно: янтарная кислота 11 и ее 2,3-ди- и 2,2,3,3-тетразамещенные производные: 2,3-диэтил 12-, 2,2,3,3-тетраметил 13-, 2,3-дип-ропил 14-, 2,3-диизопропил 15-, 2,3-дибутил

16-, 2,3-диамил 17- и 2,3-дифенил 18-янтарные кислоты с выходами 12—30 % (табл.).

В работах 5'6 было отмечено, что образующийся в процессе металлирования диизопро-пиламин препятствует протеканию реакции ено-лят-анионов с иодом, так как образует с иодом комплекс с переносом заряда.

Действительно, при взаимодействии ме-таллированных ЬЭЛ кислот 2—9 с двукратным избытком кристаллического иода 10 (при мольном соотношении реагентов 1:2—9:10= =2:1:1) при прочих равных условиях выходы соответствующих дикарбоновых кислот 11—18 существенно возрастают до 40—90 % (табл.).

Дикарбоновые кислоты 12,14—18 присутствуют в виде смеси диастереомеров (смеси мезо- и (±)-форм в соотношении = 8—10:1), наличие которых подтверждается спектрами ЯМР Н1 и 13С.

н

R

2LDA

COOH

R2/ - 2 [(CH3>2CH]2NHR2

R Li+ + + I

COO Li+ -

- Lil

2-9

2a-9a

+R Li OOC

iR1

R2

R

2 COO L+i

2H+ HOO

R

R1

R2

R2

COOH

11b-18b

11-18

R1

R

COO + I2

R1

R

COO + I2

2a-9a

10

2b-9b

10a

R1

R

R1

СОО +

R2

O O-

OOC

R

Д1

O

C^

R2

O

2b-9b

2a-9a

11a-18a

11a-18a

-I2

► OO

1R

1

2H+

HOOC.

R

R1

R2 11b-18b

2 СОО

COOH

R 11-18

I + Lil

2I R1

R

СОО

11b-18b

2H+

11-18

2b-9b

При этом не исключается и гетеролитичес-кий механизм образования литиевых солей янтарной 11Ь и других дикарбоновых кислот 12Ь—18Ь, включающий иодирование енолят-анионов ацилатов лития 2а—9а молекулярным иодом 10 с образованием литиевых солей -иодкарбоновых кислот и последующее нуклео-фильное замещение иода на соответствующий а-оксикарбонилалкильный остаток.

R1

R2

R1

СОО

- LiI

R

СОО

_ 2a-9a

LiI

2a-9a

11b-18b

2H+

HOOC

R1

R1

COOH

Я1=И; Я2=И (2,11), С2Н5 (3'12), С3И7 (5,14), (СН3)2СИ (6,15), С4И9 (7,16), С5И11 (8,17), СбН (9,18); Я1=СИз, Я2=СИ3 (4,13)

Данное превращение можно представить как окислительно-восстановительный процесс, а образование продуктов реакции 11—18 по схеме, включающей одноэлектронное окисление дианионов 2а—9а до анион-радикалов 2Ь— 9Ь, взаимодействие которых с енольной формой дианионов 2а—9а приводит к спин-аддук-там 11а—18а и далее через одноэлектронное окисление и протонирование к целевым продуктам 11—18. Последние также могут образовываться при рекомбинации анион-радикалов 2Ь—9Ь.

^2 ^ 11-18

При анализе спектров ЯМР 1Н продуктов, образующихся в ходе реакции енолят-анионов 2а—9а с кристаллическим иодом 10 при мольном соотношении реагентов 2а— 9а:10=1:1 в течение 1 ч обнаружены слабые сигналы в области 3.9—4.42 м.д., характерные для -иодзамещенных метиленовых и метино-вых групп карбоновых кислот.

Анализ реакционных смесей методом ХМС подтвердил наличие в реакционной смеси соответствующих -иодкарбоновых кислот в незначительных количествах.

При проведении реакции в течение 2 ч а-иодкарбоновые кислоты присутствуют в реакционной смеси лишь в следовых количествах, а при проведении реакции при мольном соотношении реагентов 2а—9а:10=2:1 в течение 2 ч -иодкарбоновые кислоты в реакционной смеси по данным ГЖХ-анализа отсутствуют.

Полученные результаты показывают, что выходы дикарбоновых кислот заметно зависят от строения вовлекаемых в реакцию монокар-боновых кислот.

С наибольшими выходами образуются продукты окислительного сочетания енолят-анионов ацилатов лития, содержащих анионо-идный центр у вторичного -атома углерода. В случае енолят-анионов изобутирата лития и особенно енолят-анионов ацетата лития выходы соответствующих дикарбоновых кислот

+

I2 Li

I

2

2

I

2

I

2

заметно ниже. Полученная зависимость не может быть объяснена известными представлениями о реакционной способности кислот на стадии металлирования или различной активностью образующихся дианионов при переходе от первичного ко вторичному и далее к третичному -атому углерода, так как она в первом случае убывает, а во втором — возрастает.

В соответствии с предложенной схемой эффективность образования промежуточных

анион-радикальных спин-аддуктов 11а—18а, являющихся предшественниками целевых ди-карбоновых кислот 11—18, должна зависеть от концентрации енольной формы енолят-анио-нов ацилатов лития 2а—9а. Известно, что концентрация енольной формы енолят-анионов карбонильных соединений существенно зависит от строения анионоидного центра енолят-аниона и возрастает при переходе от первичного к третичному и далее вторичному -атому

Таблица

Выходы дикарбоновых кислот в реакции окислительного сочетания енолятов ацилатов лития под действием молекулярного иода

Монокарбоновая кислота Дикарбоновая кислота Выход, % от теор.а Выход, % от теор.6

3 СООН 2 НООС. ^^ СООН 11 40 12

^^^^СООН 3 СООН СООН 12 85 15

-"""^СООН 4 НООС. 13 ^СООН 60 13

^^^^^СООН 5 СООН 14 88 18

6 I СООН СООН ^ 15 90 29

7 СООН СООН 16 76 12

8 СООН СООН 17 65 10

0ГСООН 9 сх СООН СООН ТС-З 18 85 -

1=20—25 0С, растворитель — ТГФ, инертная атмосфера (Аг), т=2ч молярное соотношение а) (2-9):10=1:1; б) (2-9):10=2:1

углерода анионоидного центра 10,11. В связи с этим, можно предположить, что уменьшение выходов дикарбоновых кислот в случае окислительного сочетания дианионов уксусной и изомасляной кислот связано с пониженной концентрацией их енольных таутомерных форм.

Экспериментальная часть

Спектры ЯМР и С записаны на приборе Вгикег АМ-300 (рабочая частота 300 и 75.47 МГц соответственно). Химические сдвиги в спектрах ЯМР измеряли относительно ГМДС, в спектрах ЯМР 13С — относительно сигнала СОС13. Хромато-масс-спектральный анализ проводили на приборе GCMS-QP2010S Shimadzu (электронная ионизация при 70 эВ). Использовали капиллярную колонку HP-1MS (30 м х 0.25 мм х 0.25 мкм), температура испарителя 280 0С, температура ионизационной камеры 200 0С. Анализ проводили в режиме программирования температуры от 50 до 280 0С со скоростью 10 0С/мин, газ-носитель — гелий (1.1 мл/мин). Масс-спектры полученных соединений соответствуют данным базы

В трехгорлую колбу, снабженную магнитной мешалкой, термометром и газоподводя-щей трубкой, в атмосфере аргона помещали 0.02 моля диизопропиламида лития в 30 мл тетрагидрофурана и охлаждали до 0—5 0С на ледяной бане. Затем при перемешивании прибавляли 0.01 моль карбоновой кислоты 2—9, растворенной в 20 мл абсолютного тетрагидро-фурана. Реакционную смесь нагревали до 35— 40 0С и перемешивали 30—40 мин. Затем колбу охлаждали до 20—25 0С, добавляли в реакционную смесь 0.01 (0.005) моль молекулярного иода и перемешивали в течение 2 ч. Затем в реакционную смесь добавляли 30—40 мл дистиллированной воды. Водный слой обрабатывали 10% раствором соляной кислоты до рН 1 и экстрагировали диэтиловым эфиром (6х30 мл). Эфирные вытяжки сушили над MgSO4. После упаривания эфира образовывались кристаллы дикарбоновых кислот 11—18. Температуры плавления дикарбоновых кислот удовлетворительно совпадают с литературными данными 12-14.

Янтарная кислота 11. Т^д =186—190 0С. Спектр ЯМР 1Н (в СЭС13, 8, м.д.): 2.4 с (4Н, СН2). Спектр ЯМР 13С (в CF3COOH+CDC13, 8, м.д.): 28.54 (2С, СН2), 179.63 (2С, С=0).

2,3-Диэтилянтарная кислота 12. Тпл.= =127—133 0С. Мезо-2,3-диэтилянтарная кислота: спектр ЯМР (в CDC13, 8, м.д.): 0.9 т (6Н, СН3), 1.52-1.7 м (2Н, СН2), 1.7-1.87 м

(2Н, СН2), 2.63-2.7 м (2Н, СН). Спектр ЯМР 13С (в CDC13, 8, м.д.): 11.09 (2С, СН3), 22.20 (2С, СН2), 46.79 (2С, СН), 182.08 (2С, СООН). (±)-2,3-Диэтилянтарная кислота: спектр ЯМР (в CDC13, 8, м.д.): 1.05 т (6Н, СН3), 1.87-1.90 м (4Н, СН2), 2.7-2.8 м (2Н, СН). Спектр ЯМР 13С (в CDC13, 8, м.д.): 13.03 (2С, СН3), 22.36 (2С, СН2), 48.48 (2С, СН), 182.88 (2С, СООН).

2,2,3,3-Тетраметилянтарная кислота 13. Тпл =168-171 0С. Спектр ЯМР (в CDC13, 8, м.д.): 1.2 с (12Н, СН3). Спектр ЯМР 13С (в CF3COOH+CDC13, 8, м.д.): 17.32 (4С, СН3), 48.50 (2С, С), 179.36 (2С, С=О).

2,3-Дипропилянтарная кислота 14. Тпл.= = 108-113 0С. Мезо-2,3-дипропилянтарная кислота: спектр ЯМР (в CDC13, 8, м.д.): 0.85 т (6Н, СН3), 1.25-1.5 м (4Н, СН2), 1.51.7 м (4Н, СН2), 2.6-2.7 м (2Н, СН). Спектр ЯМР 13С (в CF3COOH+CDC13, 8, м.д.): 12.90 (2С, СН3), 19.95 (2С, СН2), 31.79 (2С, СН2), 46.89 (2С, СН), 182.19 (2С, С=О). (±)-2,3-Дипропилянтарная кислота: Спектр ЯМР 1Н (в CDC13, 8, м.д.): 0.95 т (6Н, СН3), 1.7-1.75 м (4Н, СН2), 1.5-75 м (4Н, СН2), 2.7-2.75 м (2Н, СН). Спектр ЯМР 13С (в CF3COOH+ +CDC13, 8, м.д.): 12.90 (2С, СН3), 20.65 (2С, СН2), 32.84 (2С, СН2), 48.88 (2С, СН), 183.06 (2С, С=О).

2,3-Диизопропилянтарная кислота 15. Тпл.=145-151 0С. Мезо-2,3-диизопропилянтар-ная кислота: спектр ЯМР (в CDC13, 8, м.д.): 0.9 д (12Н, СН3), 2.35-2.45 м (2Н, СН), 2.65-2.7 м (2Н, СН). Спектр ЯМР 13С (в CF3COOH+CDC13, 8, м.д.): 18.22 (4С, СН3), 29.63 (2С, СН), 50.19 (2С, СН), 175.96 (2С, С=О). (±)-2,3-Диизопропилянтарная кислота: спектр ЯМР (в CDC13, 8, м.д.): 1.15 д (12Н, СН3), 2.35-2.45 м (2Н, СН), 2.7-2.85 м (2Н, СН). Спектр ЯМР 13С (в CF3COOH+ +CDC13, 8, м.д.): 20.8 (4С, СН), 30.99 (2С, СН), 51.98 (2С, СН), 181.79 (2С, С=О).

2,3-Дибутилянтарная кислота 16. Тпл = = 123-130 0С. Мезо-2,3-дибутилянтарная кислота: спектр ЯМР (в CDC13, 8, м.д.): 0.85 т (6Н, СН3), 1.2-1.7 м (12Н, СН2), 2.6-2.7 м (2Н, СН). Спектр ЯМР 13С (в CF3COOH+ +CDC13, 8, м.д.): 13.03 (2С, СН3), 22.38 (2С, СН2), 29.25 (2С, СН2), 29.14 (2С, СН2), 46.70 (2С, СН), 182.11 (2С, С=О). (±)-2,3-Дибутил-янтарная кислота: спектр ЯМР (в CDC13, 8, м.д.): 0.9 т (6Н, СН3), 1.7-1.8 м (12Н, СН2), 2.7-2.75 м (2Н, СН). Спектр ЯМР 13С (в CF3COOH+CDC13, 8, м.д.): 13.43 (2С, СН3), 23.04 (2С, СН2), 30.67 (2С, СН2), 30.35 (2С, СН2), 48.46 (2С, СН), 182.92 (2С, С=О).

2,3-Диамилянтарная кислота 17. Тпл.= = 154-160 0С. Мезо-2,3-диамилянтарная кислота: спектр ЯМР *Н (в CDC13, 8, м.д.): 0.9 т (6Н, СН3), 1.2-1.68 м (16Н, СН2), 2.3-2.4 м (2Н, СН). Спектр ЯМР 13С (в CF3COOH+ +CDC13, 8, м.д.): 13.11 (2С, СН3), 22.32 (2С, СН2), 24.80 (2С, СН2), 27.17 (2С, СН2), 31.22 (2С, СН2), 46.91 (2С, СН), 182.28 (2С, С=О). (±)-2,3-Диамилянтарная кислота: спектр ЯМР (в CDC13, 8, м.д.): 0.9 т (6Н, СН3), 1.2-1.7 м (16Н, СН2), 2.4-2.45 м (2Н, СН). Спектр

ЯМР 13C (в CF3COOH+CDCl3, 5, м.д.): 13.11 (2С, СН3), 22.41 (2С, СН2), 24.78 (2С, СН2), 27.20 (2С, СН2), 31.59 (2С, СН2), 48.69 (2С, СН), 182.28 (2С, С=О).

2,3-Дифенилянтарная кислота 18. Тш = =250-255 0С. Спектр ЯМР (в CDCl3, 5, м.д.): 4.3 с (2Н, СН), 7.3-7.58 м (10Н, СНАг). Спектр ЯМР 13C (в CF3COOH+CDCl3, 5, м.д.): 54.53 (2С, СН), 128.62 (4С, СНаром), 129.59 (4С, СНаром), 126.99 (2С, СНаром),

133.87 (2С, Саром), 179.91 (2С, С=О).

Литература

1. Вейганд-Хильгетаг. Методы эксперимента в органической химии.- М.: Химия, 1968.- 944 с.

2. Губен И. Методы органической химии.- М.: ОНТИ, 1935.- Т.3, вып.2.- C.454.

3. Зорин А. В., Зорина Л. Н. //Баш.хим.ж.-2005. Т.12, №1.- С.34.

4. Зорин А. В. Реакции окисления и хлорирования органических соединений алкилгипохлори-тами. Дис. ...канд. хим. наук.- Уфа, 2004.- 128 с.

5. Renaud P., Fox M.//J. Org. Chem.- 1988. V.53.- P.3745.

6. Belletire J., Spletzer E., Pinhas A. // Tetrahedron Lett.- 1984.- V.25.- P.5969.

7. Чанышева А. Р., Зорин А. В., Спирихин Л. В., Валиев А. Ю., Зорин В. В. // Баш. хим. ж.-

2008. - Т.15, № 4.- С.34.

8. Чанышева А. Р., Зорин А. В., Климаков В. С., Спирихин Л. В., Зорин В. В. // Баш. хим. ж.-

2009.- Т.16, №2.- С.165.

9. Чанышева А. Р., Зорин А. В., Хачатурян А. Б., Спирихин Л. В., Зорин В. В. // Баш. хим. ж.- 2009.- Т.16, №1.- С.24.

10. Гордон А., Форд Р. Спутник химика: физико-химические свойства, методики, библиография. — М.: Мир, 1976.- 541 с.

11. Gero A.// J. Org. Chem.- 1960.- V.19.-P. 1954.

12. Фрейдлин Г. Н. Алифатические дикарбоновые кислоты.- М.: Химия, 1978.- 518 с.

13. Eberson L. // Acta Chemica Scandinavica.-1959.- V.13.- P.40.

14. Song S., Jin Y. // Macromolecules.- 2008.-V.41.- P.7296.

References

1. Weygand-Hilgetag. Metody eksperimenta v organicheskoi khimii [Experimental Methods in Organic Chemistry]. Moscow: Khimiya, 1968. 994 p.

2. Houben J. Metody organicheskoi khimii [Methods of Organic Chemistry] Moscow: ONTI Publ., 1935. V. 3, issue 2. p. 454.

3. Zorin A. V., Zorina L. N. Bash. khim. zh. 2005. V.12, no.1. p.32.

4. Zorin A. V. Reaktsii okisleniya i khlorirovaniya organicheskikh soedineniy alkilgipokhloritami. Dis. ...kand. khim. nauk [Reactions of oxidation and chlorination of organic compounds with alkylhypochlorites. PhD diss. chem. science]. Ufa. 2004. p.128.

5. Renaud P., Fox M. J. Org. Chem. 1988. V.53. P.3745.

6. Belletire J., Spletzer E., Pinhas A. Tetrahedron Lett. 1984. V.25. P.5969.

7. Chanysheva A. R., Zorin A. V., Spirikhin L. V., Valiev A. Yu., Zorin V. V. Bash. khim. zh. 2008. V.15, no.4. P.34.

8. Chanysheva A. R., Zorin A. V., Klimakov V. S., Spirikhin L. V., Zorin V. V. Bash. khim. zh. 2009. V. 16, no. 2. pp. 165-166.

9. Chanysheva A. R., Zorin A. V.,Khachaturyan A. B., Spirikhin L. V., Zorin V. V. Bash. khim. zh. 2009. V.16, no.1. P. 24.

10. Hordon A., Ford R. Sputnik khimika:physiko-khimicheskie svoistva, metodiki, bibliografiya [Companion of Chemist: Physicochemical Properties, Methods, Bibliography]. Moscow: Mir Publ., 1976. 541 p.

11. Gero A. J. Org. Chem. 1960. V.19. P.1954.

12. Freidlin G. Alifaticheskie dikarbonovie kisloty [Alyphatic dicarboxylic acids]. Moscow: Khimiya, 1978. 518 p.

13. Eberson L. Acta Chemica Scandinavica. 1959. V.13. P.40.

14. Song S., Jin Y. Macromolecules. 2008. V.41. P.7296.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания.