Помощь студентам в учебе
Соединения поливалентного иода: новые реагенты и возможности их использования в тонком органическом синтезе
|
Введение 5
Глава 1. Синтез и реакционная способность иодониевых солей как прекурсоров для получения фторорганических соединений 10
Глава 2. Реакционная способность замещенных арилбензоиодоксолов в реакциях восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофила 16
Экспериментальная часть 34
Глава 3. Разработка методов получения новых кремнийсодержащих иодони- евых солей как прекурсоров для селективного введения атома фтора в органиче-
ские соединения 46
Экспериментальная часть 58
Глава 4. Новые окислительные реагенты на основе 2-иодоксобензойной
кислоты 63
Экспериментальная часть 73
Выводы 77
Список использованных источников 78
Приложение
Глава 1. Синтез и реакционная способность иодониевых солей как прекурсоров для получения фторорганических соединений 10
Глава 2. Реакционная способность замещенных арилбензоиодоксолов в реакциях восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофила 16
Экспериментальная часть 34
Глава 3. Разработка методов получения новых кремнийсодержащих иодони- евых солей как прекурсоров для селективного введения атома фтора в органиче-
ские соединения 46
Экспериментальная часть 58
Глава 4. Новые окислительные реагенты на основе 2-иодоксобензойной
кислоты 63
Экспериментальная часть 73
Выводы 77
Список использованных источников 78
Приложение
Актуальность исследования. Соединения поливалентного (СПИ) иода занимают ключевое место среди реагентов органического синтеза. Особенно впечатляющими являются трансформации с использованием органических соединений иода в III и V валентных состояниях. Уникальность данных реагентов заключается в том, что они участвуют в окислительных процессах с образованием С-С- и С-Х-связей, где Х = О, N, S, Se, F, Cl, Br, I и т.д. Обзорный поиск в SciFinder Scholar показывает, что за последние 5 лет количество статей и патентов, связанных с химией поливалентного иода, достигает нескольких тысяч. Все это позволяет сделать вывод о том, что СПИ являются одними из популярных реагентов органического синтеза. Иодониевые соли, как представители соединений поливалентного иода (III) приобрели особую популярность в последние годы в связи с возможностью их использования в качестве прекурсоров в синтезе трейсеров для позитронноэмиссионной томографии (ПЭТ). В то же время, вопрос селективности в реакциях восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофилов арилбензоио- доксолов, как представителей циклических иодониевых солей, изучена недостаточно. Имеются единичные сведения об активности незамещенного арилбензио- доксола. Только недавно Жданкиным и Юсубовым было показано влияние «ор- то»-эффекта в реакции восстановительного элиминирования в присутствии азида натрия для метилзамещенного арилбензиодоксола. До сих пор нет сведений о синтезе кремнийсодержащих иодониевых солей и их реакционнной способности в реакциях с различными нуклеофилами. Реализация этих актуальных задач требует дальнейших исследований реакционной способности иодониевых солей и расширения возможностей их синтетического применения, особенно в качестве потенциальных прекурсоров для синтеза фторорганических соединений. Таким образом, актуальным является синтез и исследование реакционной способности замещенных арилбензоиодоксолов, кремнийсодержащих иодониевых солей в реакциях восстановительного элиминирования в присутствии широкого ряда нуклеофилов.
В связи с постоянно расширяющимся спектром необходимости получения и использования биологически активных молекул, содержащих как карбонильные, так и спиртовые группы, перед химиками-синтетиками открывается в новом свете задача по разработке новых эффективных окислительных реагентов способных селективно окислять спирты до альдегидов и кетонов. Активность и селективность имеющихся реагентов на основе 2-иодоксобензойной кислоты и ее производных для решения поставленных задач недостаточны. Таким образом, поиск более реакционноспособных производных 2-иодоксобензойной кислоты, обладающих высокой активностью и селективностью в реакциях окисления спиртов соответствующих принципам «зленой химии» является актуальной.
Работа выполнялась при поддержке гранта ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» ГК - 11.519.11.5010, РФФИ 12-03-00978-а и Государственных заданий «Наука» № 4.2569.2014/К).
Цель работы: Разработка методов получения и исследование реакционной способности соединений поливалентного иода - иодониевых солей и производных 2-иодозобензойной кислоты (IBX).
Задачи исследования:
Исследование реакционной способности замещённых арилбензоиодоксолов в реакциях восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофила.
Исследование влияния ТИПС-группы иодониевой соли на селективность реакции восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофила.
Разработка методов получения стабильных, с высокой окислительной активностью СПИ на основе производных 2-иодоксобензойной кислоты (IBX) и исследование их в реакциях окисления спиртов до соответствующих карбонильных соединений.
Научная новизна:
1. Установлена высокая реакционная способность замещенных арилбен- зоиодоксолов в реакциях восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофилов. Активность замещенных арилбензоиодоксолов может изменяться в зависимости от природы и положения заместителей в ароматических кольцах.
2. Впервые установлено, что степень конверсии исходного арилибензоио- доксола в реакциях восстановительного элиминирования зависит не только от природы заместителя (конверсия арилибензоиодоксолов с электроноакцепторными заместителями увеличивается), но и от их положения в ароматических кольцах (конверсия стерически затрудненных арилибензоиодоксолов снижается). Электроноакцепторные заместители в бензиодоксольном фрагменте (кольцо А) увеличивают конверсию иодониевой соли в реакции с азидом натрия. Наличие метильных групп в ароматическом кольце арильного фрагмента арилбензоиодоксола (кольца Б) в орто-положении к атому иода снижают степень конверсии в реакции с азидом натрия. В первом случае процесс контролируется электронным эффектом заместителя, а во втором случае пространственными факторами объемных метильных групп, затрудняющих атаку нуклеофила по реакционному центру молекулы.
3. Впервые показано, что кремнийсодержащие иодониевые соли активно вступают в реакцию восстановительного элиминирования в присутствии различных нуклеофилов. Установлено, что селективность реакции восстановительного элиминирования TIPS-содержащих иодониевых солей в большей степени подчиняется стерическому фактору объемной триизопропилсилильной группы, а не ее электронодонорному эффекту заместителя. Впервые, на примере кремнийоргани- ческих диарилиодониевых солей, установлен новый эффект - «пара-эффект» объемных заместителей, существенно влияющий на селективность реакции восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофилов.
4. Впервые получены два сульфонатных производных 2-иодоксобензойной кислоты (IBX-OTs и IBX-OMs) и исследована их реакционная способность в реакции окисления предельных спиртов, приводящих в зависимости от условий протекания реакции к образованию предельных и непредельных альдегидов и кетонов.
Практическая значимость:
Предложены общие схемы синтеза нитро- и бромопроизводных арилбен- зоиодоксолов, содержащих заместители в обоих бензольных кольцах из коммерчески доступных бензойных кислот - антраниловой и 2-иодбензойной. Полученные арилбензоиодоксолы могут быть использованы в качестве прекурсоров в синтезе производных бензойных кислот, в том числе и фторсодержащих.
Разработан способ получения ранее недоступных кремнийсодержащих ио- дониевых солей. Данные иодониевые соли представляют практически интерес для синтеза триизопропилсилилсодержащих ароматических соедлинений.
Предложен метод селективного окисления различных аД-ненасыщенных первичных и вторичных спиртов до соответствующих ненасыщенных карбонильных соединений с использованием в качестве окислителей IBX-OTs и IBX-OMs. Привлекательной особенностью полученных реагентов, помимо их высокой окислительной активности, является и то, что продукты реакции легко отделяются от восстановленной формы реагента п-толуолсульфокислоты простой препаративной процедурой - фильтрацией.
Апробация работы. Отдельные части работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2015г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи, тезисы 1 доклада.
Объем и структура работы. Работа изложена на 84 страницах, содержит 43 схемы, 1 рисунок и 3 таблицы. Состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 69 наименований.
Работа выполнена на кафедре Биотехнологии и Органической химии Национально исследовательского Томского Политехнического университета. Экспериментальная часть, представленная в разделе 2, 3 и 4 была выполнена в лаборатории Университета Миннессоты г. Дулут США при поддержке проф. В.В.Жданкина в рамках молодёжного гранта по академической мобильности студентов и аспирантов НИИ ТПУ «Стипендия PLUS+».
Также хочу выразить огромную благодарность за помощь и поддержку в написании диссертационной работы проф. М.С. Юсубову, проф. В.В Жданкину,
А. Йошимуре и Б. Карстену.
Положения, выносимые на защиту.
• Влияние природы и положения заместителей в кольцах А и В замещённых арилбензоиодоксолов на степень конверсии в реакции восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофилов.
• Первые представители кремнийсодержащей диарилиодониевой соли с три- изопропилсильльной группой, методы их получения и химические свойства в реакции восстановительного элиминирования.
• Новые сульфонатные производные 2-иодоксобензойной кислоты (IBX-OTs и IBX-OMs), методы их получения и химические свойства на примере окисления спиртов
В связи с постоянно расширяющимся спектром необходимости получения и использования биологически активных молекул, содержащих как карбонильные, так и спиртовые группы, перед химиками-синтетиками открывается в новом свете задача по разработке новых эффективных окислительных реагентов способных селективно окислять спирты до альдегидов и кетонов. Активность и селективность имеющихся реагентов на основе 2-иодоксобензойной кислоты и ее производных для решения поставленных задач недостаточны. Таким образом, поиск более реакционноспособных производных 2-иодоксобензойной кислоты, обладающих высокой активностью и селективностью в реакциях окисления спиртов соответствующих принципам «зленой химии» является актуальной.
Работа выполнялась при поддержке гранта ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» ГК - 11.519.11.5010, РФФИ 12-03-00978-а и Государственных заданий «Наука» № 4.2569.2014/К).
Цель работы: Разработка методов получения и исследование реакционной способности соединений поливалентного иода - иодониевых солей и производных 2-иодозобензойной кислоты (IBX).
Задачи исследования:
Исследование реакционной способности замещённых арилбензоиодоксолов в реакциях восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофила.
Исследование влияния ТИПС-группы иодониевой соли на селективность реакции восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофила.
Разработка методов получения стабильных, с высокой окислительной активностью СПИ на основе производных 2-иодоксобензойной кислоты (IBX) и исследование их в реакциях окисления спиртов до соответствующих карбонильных соединений.
Научная новизна:
1. Установлена высокая реакционная способность замещенных арилбен- зоиодоксолов в реакциях восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофилов. Активность замещенных арилбензоиодоксолов может изменяться в зависимости от природы и положения заместителей в ароматических кольцах.
2. Впервые установлено, что степень конверсии исходного арилибензоио- доксола в реакциях восстановительного элиминирования зависит не только от природы заместителя (конверсия арилибензоиодоксолов с электроноакцепторными заместителями увеличивается), но и от их положения в ароматических кольцах (конверсия стерически затрудненных арилибензоиодоксолов снижается). Электроноакцепторные заместители в бензиодоксольном фрагменте (кольцо А) увеличивают конверсию иодониевой соли в реакции с азидом натрия. Наличие метильных групп в ароматическом кольце арильного фрагмента арилбензоиодоксола (кольца Б) в орто-положении к атому иода снижают степень конверсии в реакции с азидом натрия. В первом случае процесс контролируется электронным эффектом заместителя, а во втором случае пространственными факторами объемных метильных групп, затрудняющих атаку нуклеофила по реакционному центру молекулы.
3. Впервые показано, что кремнийсодержащие иодониевые соли активно вступают в реакцию восстановительного элиминирования в присутствии различных нуклеофилов. Установлено, что селективность реакции восстановительного элиминирования TIPS-содержащих иодониевых солей в большей степени подчиняется стерическому фактору объемной триизопропилсилильной группы, а не ее электронодонорному эффекту заместителя. Впервые, на примере кремнийоргани- ческих диарилиодониевых солей, установлен новый эффект - «пара-эффект» объемных заместителей, существенно влияющий на селективность реакции восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофилов.
4. Впервые получены два сульфонатных производных 2-иодоксобензойной кислоты (IBX-OTs и IBX-OMs) и исследована их реакционная способность в реакции окисления предельных спиртов, приводящих в зависимости от условий протекания реакции к образованию предельных и непредельных альдегидов и кетонов.
Практическая значимость:
Предложены общие схемы синтеза нитро- и бромопроизводных арилбен- зоиодоксолов, содержащих заместители в обоих бензольных кольцах из коммерчески доступных бензойных кислот - антраниловой и 2-иодбензойной. Полученные арилбензоиодоксолы могут быть использованы в качестве прекурсоров в синтезе производных бензойных кислот, в том числе и фторсодержащих.
Разработан способ получения ранее недоступных кремнийсодержащих ио- дониевых солей. Данные иодониевые соли представляют практически интерес для синтеза триизопропилсилилсодержащих ароматических соедлинений.
Предложен метод селективного окисления различных аД-ненасыщенных первичных и вторичных спиртов до соответствующих ненасыщенных карбонильных соединений с использованием в качестве окислителей IBX-OTs и IBX-OMs. Привлекательной особенностью полученных реагентов, помимо их высокой окислительной активности, является и то, что продукты реакции легко отделяются от восстановленной формы реагента п-толуолсульфокислоты простой препаративной процедурой - фильтрацией.
Апробация работы. Отдельные части работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2015г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи, тезисы 1 доклада.
Объем и структура работы. Работа изложена на 84 страницах, содержит 43 схемы, 1 рисунок и 3 таблицы. Состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 69 наименований.
Работа выполнена на кафедре Биотехнологии и Органической химии Национально исследовательского Томского Политехнического университета. Экспериментальная часть, представленная в разделе 2, 3 и 4 была выполнена в лаборатории Университета Миннессоты г. Дулут США при поддержке проф. В.В.Жданкина в рамках молодёжного гранта по академической мобильности студентов и аспирантов НИИ ТПУ «Стипендия PLUS+».
Также хочу выразить огромную благодарность за помощь и поддержку в написании диссертационной работы проф. М.С. Юсубову, проф. В.В Жданкину,
А. Йошимуре и Б. Карстену.
Положения, выносимые на защиту.
• Влияние природы и положения заместителей в кольцах А и В замещённых арилбензоиодоксолов на степень конверсии в реакции восстановительного элиминирования в присутствии нуклеофилов.
• Первые представители кремнийсодержащей диарилиодониевой соли с три- изопропилсильльной группой, методы их получения и химические свойства в реакции восстановительного элиминирования.
• Новые сульфонатные производные 2-иодоксобензойной кислоты (IBX-OTs и IBX-OMs), методы их получения и химические свойства на примере окисления спиртов
1. Впервые проведено детальное исследование реакционной способности ари- либензоиодоксолов в реакции с различными нуклофилами. Исследовано влияние «орто-эффекта» заместителя (в кольце В) на скорость реакции нуклеофильного замещения модельными нуклеофилами, а также нами было впервые изучено совместное влияние электроноакцепторных заместителей (в кольце А), и метильных групп (в кольце В) на реакционную способность в реакциях нуклеофильного замещения. Выявлены новые закономерности реакции восстановительного элиминирования иодониевых солей в присутствии нуклеофилов.
2. Были получены ранее неизвестные ТИПС-иодониевые соли и исследована их реакционная способность в реакциях нуклеофильного замещения с модельными нуклеофилами. Установлен новый эффект - «пара-эффект» объемных заместителей существенно влияющих на селективность реакции.
3. Были получены неизвестные ранее производные 2-иодоксобензойной кислоты (IBX-OTs, IBX-OMs) и исследованы их мягкие окислительные свойства в окислении спиртов до соответствующих карбонильных соединений. Полученные новые реагенты обладали более высокой реакционной способностью, чем все ранее известные соединения поливалентного иода.
2. Были получены ранее неизвестные ТИПС-иодониевые соли и исследована их реакционная способность в реакциях нуклеофильного замещения с модельными нуклеофилами. Установлен новый эффект - «пара-эффект» объемных заместителей существенно влияющих на селективность реакции.
3. Были получены неизвестные ранее производные 2-иодоксобензойной кислоты (IBX-OTs, IBX-OMs) и исследованы их мягкие окислительные свойства в окислении спиртов до соответствующих карбонильных соединений. Полученные новые реагенты обладали более высокой реакционной способностью, чем все ранее известные соединения поливалентного иода.