Помощь студентам в учебе
Синтез арендиазониевых солей алкилбензолсульфокислот, исследование их структуры и реакционной способности в важнейших органических превращениях
|
Общая характеристика работы 5
Глава 1. Литературный обзор 10
Химия ароматических солей диазония в XXI веке: свершения и перспективы 10
1.1. Краткий обзор типов ароматических диазониевых солей в зависимости от
структуры аниона 11
1.2. Ароматические соли диазония как синтетические эквиваленты N-
электрофилов в реакциях образования новых N-C связей 16
1.3. Ароматические соли диазония как синтетические эквиваленты С-
электрофилов в реакциях образования новых C-Hal, C-Het, C-C связей 30
Глава 2. Синтез и исследование структуры арендиазоний алкилбензолсульфонатов 57
Синтез арендиазоний алкилбензолсульфонатов 57
Исследование структуры арендиазоний алкилбензолсульфонатов 76
Экспериментальная часть 89
Глава 3. Исследование реакционной способности арендиазониевых солей алкилбензолсульфокислот 103
3.1. Арендиазоний алкилбензолсульфонаты как N-электрофилы в реакциях формирования новых N-C связей 103
3.1.1 Реакция азосочетания арендиазоний алкилбензолсульфонатов с 2- нафтолом 103
3.1.2. Реакция взаимодействия арендиазоний алкилбензолсульфонатов с
вторичными аминами 106
3.1.3. Исследование реакционной способности арендиазоний тозилатов в
реакции с С-нуклеофилами: синтез 3-нитроформазанов 109
Экспериментальная часть 123
3.2. Арендиазоний алкилбензолсульфонаты как С-электрофилы в реакциях образования новых связей С-гетероатом и С-С 132
3.2.1. Реакции замещения диазо-группы на галогены 133
Иодо-дедиазонирование арендиазоний алкилбензолсульфонатов 133
Бромо- и хлоро-дедиазонирование арендиазоний алкилбензолсульфонатов 146
3.2.2. Гидро-дедиазонирование арендиазоний алкилбензолсульфонатов .... 160
3.2.3. Азидо-дедиазонирование арендиазоний алкилбензолсульфонатов ... 164
3.3. Превращения, приводящие к образованию новых С-С-связей, с
использованием арендиазоний алкилбензолсульфонатов 172
3.3.1. Pd-катализируемые превращения арендиазоний
алкилбензолсульфонатов 172
Реакции Матсуды-Хека с участием арендиазоний алкилбензолсульфонатов
173
Реакция Сузуки-Миюары с участием арендиазоний тозилатов 183
Кросс-сочетание арендиазоний тозилатов с бифункциональными олефинами
193
3.3.2. Реакция Гомберга-Бахмана с участием арендиазоний
додецилбензолсульфонатов в неполярных средах 202
3.3.3. Образование связи С-С с графитовыми структурами с участием
арендиазоний алкилбензолсульфонатов 206
Экспериментальная часть 220
Выводы 252
Список литературы 253
Приложение А 305
Приложение Б 309
Приложение В 325
Приложение Г 332
Глава 1. Литературный обзор 10
Химия ароматических солей диазония в XXI веке: свершения и перспективы 10
1.1. Краткий обзор типов ароматических диазониевых солей в зависимости от
структуры аниона 11
1.2. Ароматические соли диазония как синтетические эквиваленты N-
электрофилов в реакциях образования новых N-C связей 16
1.3. Ароматические соли диазония как синтетические эквиваленты С-
электрофилов в реакциях образования новых C-Hal, C-Het, C-C связей 30
Глава 2. Синтез и исследование структуры арендиазоний алкилбензолсульфонатов 57
Синтез арендиазоний алкилбензолсульфонатов 57
Исследование структуры арендиазоний алкилбензолсульфонатов 76
Экспериментальная часть 89
Глава 3. Исследование реакционной способности арендиазониевых солей алкилбензолсульфокислот 103
3.1. Арендиазоний алкилбензолсульфонаты как N-электрофилы в реакциях формирования новых N-C связей 103
3.1.1 Реакция азосочетания арендиазоний алкилбензолсульфонатов с 2- нафтолом 103
3.1.2. Реакция взаимодействия арендиазоний алкилбензолсульфонатов с
вторичными аминами 106
3.1.3. Исследование реакционной способности арендиазоний тозилатов в
реакции с С-нуклеофилами: синтез 3-нитроформазанов 109
Экспериментальная часть 123
3.2. Арендиазоний алкилбензолсульфонаты как С-электрофилы в реакциях образования новых связей С-гетероатом и С-С 132
3.2.1. Реакции замещения диазо-группы на галогены 133
Иодо-дедиазонирование арендиазоний алкилбензолсульфонатов 133
Бромо- и хлоро-дедиазонирование арендиазоний алкилбензолсульфонатов 146
3.2.2. Гидро-дедиазонирование арендиазоний алкилбензолсульфонатов .... 160
3.2.3. Азидо-дедиазонирование арендиазоний алкилбензолсульфонатов ... 164
3.3. Превращения, приводящие к образованию новых С-С-связей, с
использованием арендиазоний алкилбензолсульфонатов 172
3.3.1. Pd-катализируемые превращения арендиазоний
алкилбензолсульфонатов 172
Реакции Матсуды-Хека с участием арендиазоний алкилбензолсульфонатов
173
Реакция Сузуки-Миюары с участием арендиазоний тозилатов 183
Кросс-сочетание арендиазоний тозилатов с бифункциональными олефинами
193
3.3.2. Реакция Гомберга-Бахмана с участием арендиазоний
додецилбензолсульфонатов в неполярных средах 202
3.3.3. Образование связи С-С с графитовыми структурами с участием
арендиазоний алкилбензолсульфонатов 206
Экспериментальная часть 220
Выводы 252
Список литературы 253
Приложение А 305
Приложение Б 309
Приложение В 325
Приложение Г 332
Актуальность исследования. С бурным развитием тонкого органического синтеза и с ужесточением требований по безопасности используемых реагентов и методов встает вопрос в разработке новых, безопасных, но при этом высокореакционных соединений. Невозможно представить синтез полезного, с любой точки зрения, органического вещества, который бы протекал в одну или даже две стадии. Как правило, это многостадийные процессы, с образованием промежуточных соединений. В свою очередь, промежуточные полупродукты должны быть безопасными и высокореакционными, чтобы в результате с минимальными потерями получить целевые молекулы. Одними из таких промежуточных соединений являются ароматические соли диазония (АСД), которые обладают достаточной реакционной способностью и очень часто используются в полном синтезе ключевых соединений.
На сегодняшний день известно порядка 20 типов АСД, отличающихся по структуре лишь природой диазо-аниона (остатки минеральных или органических кислот). По их синтезу и исследованию химических свойств опубликовано огромное количество обзоров, монографий и статей в высокорейтинговых журналах. Такое разнообразие АСД не случайно, так как многие из них взрывонебезопасны, плохо растворимы в воде или органических растворителях, некоторые проявляют низкую активность в органических превращениях и т.д. В связи с этим, появление новых типов АСД, которые были бы освобождены от указанных недостатков, но при этом в любых превращениях проявляли бы высокую реакционную способность, не образовывали бы вредных побочных продуктов (к которым можно отнести галогенсодержащие продукты), а условия реакций с их использованием отвечали бы современным требованиям органического синтеза, становится весьма актуальной проблемой.
Цель работы: Синтез, всестороннее исследование структуры и реакционной способности новых уникальных арендиазоний
алкилбензолсульфонатов.
Работа выполнялась при поддержке грантов РФФИ 12-03-31594 мол_а, РФФИ 14-03-00743а, РФФИ_р_сибирь_13-03-98009, государственных
контрактов № ГК 16.512.11.2127 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 гг.», № ГК П33, П1296 «Научные и научно
педагогические кадры инновационной России».
Научная новизна.
1. Впервые получен широкий ряд уникальных ароматических диазониевых солей органических сульфокислот (арендиазоний тозилатов (АДТ) и арендиазоний додецилбензолсульфонатов (АДБС)) и доказана их структура.
2. Впервые показана высокая реакционная способность АДТ и АДБС в превращениях, протекающих без выделения азота (азо-сочетание, образование триазенов, синтез формазанов) и в реакциях с выделением азота (галогенирование, синтез азидов, образование новых С-С-связей).
3. Открыты новые реакции АДБС в неполярных средах (галогендедиазонирование, гидро-дедиазонирование, арилирование аренов), катализируемые Et3N.
4. Однозначно доказано, что взаимодействие АДБС в среде
галогенуглеводородов протекает через образование радикалов, и
инициатором данных взаимодействий выступает Et3N.
5. Получены и охарактеризованы порядка 70 новых соединений (АДТ, АДБС, азиды, формазаны, стиролы, орто-замещенные бифенилы).
Практическая значимость.
• Разработан простой метод синтеза ароматических диазониевых солей алкилбензолсульфонатов (АДТ, АДБС). Показана возможность масштабирования данного метода.
• Доказана высокая взрывобезопасность АДТ и АДБС, что делает их перспективными для применения в тонком органическом синтезе, в том числе в некоторых превращениях, отвечающих принципам «зеленой химии».
• Разработан общий метод синтеза ди- три- тетраиод аренов из ароматических аминов.
• Предложен общий метод бромо- и хлоро-дедиазонирования АДБС, не требующий использования солей меди как мягкая альтернатива реакции Зандмейера.
• С использованием АДТ разработаны общие методы синтеза формазанов как прекурсоров в синтезе стабильных вердазильных радикалов.
• С использованием NaN3 разработан общий метод азидо-дедиазонирования АДТ в водной среде и однореакторный метод диазотирования- азидинирования ароматических аминов в водной среде.
• Разработаны методы гидро-дедиазонирования в среде углеводородов и метод синтеза бифенилов в среде аренов действием триэтиламина на АДБС.
• Разработаны мягкие методы образования новых С-С-связей, в том числе и с углеродными нано- и макроповерхностями.
• Впервые предложено использование модифицированных наноразмерных частиц Бе@С для лечения атеросклероза.
• Предложено использование АДТ как реагента для модификации поверхности стеклоуглеродных электродов и показано, что поверхностная модификация увеличивает чувствительность вольтамперметрического определения тяжелых металлов и органических соединений в растворах.
Положения, выносимые на защиту.
• Синтез и структура АДТ и АДБС.
• Синтетические методы получения ценных азо-красителей, триазенов, формазанов с использованием АДТ и АДБС.
• Методы иодо-, бромо-, хлоро-, азидо-дедиазонирования с использованием АДТ и АДБС.
• Новые реакции с использованием АДБС в среде неполярных растворителей в присутствии Et3N и синтетические методы на их основе.
• Новые Pd-катализируемые реакции кросс-сочетания с использованием АДТ и АДБС.
• Новые методы формирования связи С-С с углеродными нано- и макроповерхностями с использованием АДТ и перспективные в медицине и аналитической химии материалы на их основе.
Апробация работы. Отдельные части работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск 2004, 2006, 2007, 2009, 2010, 2011, 2012); V
международной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (Томск 2006); III Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2009» (Екатеринбург 2009); VII Всероссийской конференции с молодежной научной школой «Химия и медицина, ОРХИМЕД - 2009» (Уфа 2009); Международной школе
«Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах» (Москва 2009); Международной школе-конференции «The second international competition of scientific papers in nanotechnology for young researchers. Rusnanotech 09» (Москва 2009); Международном симпозиуме по органической химии «ASOC- 2010» (Крым, Мисхор 2010); Молодежной школе-конференции «Актуальные проблемы органической химии» (2010, 2012, 2015); German-russian forum «Nanophotonics and Nanomaterials» (Томск 2010), I-ой Международной Российско-Казахстанской конференции по химии и химической технологии (Томск 2011), XIV Молодежной конференции по органической химии (Екатеринбург 2011), 2nd International Conference on Nanotechnology // Nanotechnology: Fundamentals and Applications (Оттава, Канада 2011), 18th International on composite material (Юж.Корея 2011), International Congress on 8
Organic Chemestry (Казань 2011), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград 2011), II-ой Международной Российско- Казахстанской конференции по химии и химической технологии (Караганда 2012), Всероссийской научно-методической конференции
«Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах» (Санкт-Петербург 2012), II Всероссийской научной конференции «Успехи синтеза и
комплексообразования» (Москва 2012), European Symposium on Organic Reactivity (Прага Чешская Республика 2013), XXVII Международной научнотехнической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (Иркутск 2013), Franco-Siberian Workshop (Ренн, Франция 2013), 3rd International Conference of Organic Chemistry «Organic Synthesis - Driving Force of Life Development» (Тбилиси, Грузия 2014), Siberian winter conference «Current topics in Organic Chemestry» (пос. Шерегеш, Кемеровской обл. 2015), Кластер конференций «Оргхим-2016» (с. Репино, Санкт-Петербург 2016), Dombay Organic Conference Cluster «DOCC- 2016» (Домбай 2016).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 статей, материалы 67 докладов, 7 патентов РФ, 1 патент США находится на национальной стадии патентования.
Объем и структура работы. Работа изложена на 304 страницах, содержит 38 схем, 29 рисунков и 38 таблиц. Состоит из 3 глав, выводов, списка литературы и приложений. Глава 1 представляет литературный обзор , охватывающий современные методы использования ароматических солей диазония в классических превращениях. В последующих главах излагаются и обсуждаются результаты собственных исследований. Диссертация завершается выводами, списком литературы из 481 наименований и 4 приложениями, в которых представлены данные X-ray, расчетные конформации структур и прикладные результаты.
На сегодняшний день известно порядка 20 типов АСД, отличающихся по структуре лишь природой диазо-аниона (остатки минеральных или органических кислот). По их синтезу и исследованию химических свойств опубликовано огромное количество обзоров, монографий и статей в высокорейтинговых журналах. Такое разнообразие АСД не случайно, так как многие из них взрывонебезопасны, плохо растворимы в воде или органических растворителях, некоторые проявляют низкую активность в органических превращениях и т.д. В связи с этим, появление новых типов АСД, которые были бы освобождены от указанных недостатков, но при этом в любых превращениях проявляли бы высокую реакционную способность, не образовывали бы вредных побочных продуктов (к которым можно отнести галогенсодержащие продукты), а условия реакций с их использованием отвечали бы современным требованиям органического синтеза, становится весьма актуальной проблемой.
Цель работы: Синтез, всестороннее исследование структуры и реакционной способности новых уникальных арендиазоний
алкилбензолсульфонатов.
Работа выполнялась при поддержке грантов РФФИ 12-03-31594 мол_а, РФФИ 14-03-00743а, РФФИ_р_сибирь_13-03-98009, государственных
контрактов № ГК 16.512.11.2127 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 гг.», № ГК П33, П1296 «Научные и научно
педагогические кадры инновационной России».
Научная новизна.
1. Впервые получен широкий ряд уникальных ароматических диазониевых солей органических сульфокислот (арендиазоний тозилатов (АДТ) и арендиазоний додецилбензолсульфонатов (АДБС)) и доказана их структура.
2. Впервые показана высокая реакционная способность АДТ и АДБС в превращениях, протекающих без выделения азота (азо-сочетание, образование триазенов, синтез формазанов) и в реакциях с выделением азота (галогенирование, синтез азидов, образование новых С-С-связей).
3. Открыты новые реакции АДБС в неполярных средах (галогендедиазонирование, гидро-дедиазонирование, арилирование аренов), катализируемые Et3N.
4. Однозначно доказано, что взаимодействие АДБС в среде
галогенуглеводородов протекает через образование радикалов, и
инициатором данных взаимодействий выступает Et3N.
5. Получены и охарактеризованы порядка 70 новых соединений (АДТ, АДБС, азиды, формазаны, стиролы, орто-замещенные бифенилы).
Практическая значимость.
• Разработан простой метод синтеза ароматических диазониевых солей алкилбензолсульфонатов (АДТ, АДБС). Показана возможность масштабирования данного метода.
• Доказана высокая взрывобезопасность АДТ и АДБС, что делает их перспективными для применения в тонком органическом синтезе, в том числе в некоторых превращениях, отвечающих принципам «зеленой химии».
• Разработан общий метод синтеза ди- три- тетраиод аренов из ароматических аминов.
• Предложен общий метод бромо- и хлоро-дедиазонирования АДБС, не требующий использования солей меди как мягкая альтернатива реакции Зандмейера.
• С использованием АДТ разработаны общие методы синтеза формазанов как прекурсоров в синтезе стабильных вердазильных радикалов.
• С использованием NaN3 разработан общий метод азидо-дедиазонирования АДТ в водной среде и однореакторный метод диазотирования- азидинирования ароматических аминов в водной среде.
• Разработаны методы гидро-дедиазонирования в среде углеводородов и метод синтеза бифенилов в среде аренов действием триэтиламина на АДБС.
• Разработаны мягкие методы образования новых С-С-связей, в том числе и с углеродными нано- и макроповерхностями.
• Впервые предложено использование модифицированных наноразмерных частиц Бе@С для лечения атеросклероза.
• Предложено использование АДТ как реагента для модификации поверхности стеклоуглеродных электродов и показано, что поверхностная модификация увеличивает чувствительность вольтамперметрического определения тяжелых металлов и органических соединений в растворах.
Положения, выносимые на защиту.
• Синтез и структура АДТ и АДБС.
• Синтетические методы получения ценных азо-красителей, триазенов, формазанов с использованием АДТ и АДБС.
• Методы иодо-, бромо-, хлоро-, азидо-дедиазонирования с использованием АДТ и АДБС.
• Новые реакции с использованием АДБС в среде неполярных растворителей в присутствии Et3N и синтетические методы на их основе.
• Новые Pd-катализируемые реакции кросс-сочетания с использованием АДТ и АДБС.
• Новые методы формирования связи С-С с углеродными нано- и макроповерхностями с использованием АДТ и перспективные в медицине и аналитической химии материалы на их основе.
Апробация работы. Отдельные части работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск 2004, 2006, 2007, 2009, 2010, 2011, 2012); V
международной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (Томск 2006); III Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2009» (Екатеринбург 2009); VII Всероссийской конференции с молодежной научной школой «Химия и медицина, ОРХИМЕД - 2009» (Уфа 2009); Международной школе
«Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах» (Москва 2009); Международной школе-конференции «The second international competition of scientific papers in nanotechnology for young researchers. Rusnanotech 09» (Москва 2009); Международном симпозиуме по органической химии «ASOC- 2010» (Крым, Мисхор 2010); Молодежной школе-конференции «Актуальные проблемы органической химии» (2010, 2012, 2015); German-russian forum «Nanophotonics and Nanomaterials» (Томск 2010), I-ой Международной Российско-Казахстанской конференции по химии и химической технологии (Томск 2011), XIV Молодежной конференции по органической химии (Екатеринбург 2011), 2nd International Conference on Nanotechnology // Nanotechnology: Fundamentals and Applications (Оттава, Канада 2011), 18th International on composite material (Юж.Корея 2011), International Congress on 8
Organic Chemestry (Казань 2011), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград 2011), II-ой Международной Российско- Казахстанской конференции по химии и химической технологии (Караганда 2012), Всероссийской научно-методической конференции
«Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах» (Санкт-Петербург 2012), II Всероссийской научной конференции «Успехи синтеза и
комплексообразования» (Москва 2012), European Symposium on Organic Reactivity (Прага Чешская Республика 2013), XXVII Международной научнотехнической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (Иркутск 2013), Franco-Siberian Workshop (Ренн, Франция 2013), 3rd International Conference of Organic Chemistry «Organic Synthesis - Driving Force of Life Development» (Тбилиси, Грузия 2014), Siberian winter conference «Current topics in Organic Chemestry» (пос. Шерегеш, Кемеровской обл. 2015), Кластер конференций «Оргхим-2016» (с. Репино, Санкт-Петербург 2016), Dombay Organic Conference Cluster «DOCC- 2016» (Домбай 2016).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 статей, материалы 67 докладов, 7 патентов РФ, 1 патент США находится на национальной стадии патентования.
Объем и структура работы. Работа изложена на 304 страницах, содержит 38 схем, 29 рисунков и 38 таблиц. Состоит из 3 глав, выводов, списка литературы и приложений. Глава 1 представляет литературный обзор , охватывающий современные методы использования ароматических солей диазония в классических превращениях. В последующих главах излагаются и обсуждаются результаты собственных исследований. Диссертация завершается выводами, списком литературы из 481 наименований и 4 приложениями, в которых представлены данные X-ray, расчетные конформации структур и прикладные результаты.
1. Впервые получены и охарактеризованы АДТ и АДБС. Доказана взрывобезопасность АДТ и АДБС. Показана высокая растворимость АДТ в водных и водно-органических средах и высокая растворимость АДБС в неполярных средах.
2. Показано, что АДТ и АДБС обладают высокой или соизмеримой реакционной способностью в сравнении с арендиазоний хлоридами и арендиазоний тетрафторборатами в важнейших органических превращениях (азо-сочетание, галогенирование, восстановление, синтез азидов, триазенов, формазанов, реакциях Хека-Матсуда, реакциях Сузуки, реакциях Гомберга-Бахмана).
3. Впервые показана возможность протекания реакций галоиддедиазонирования, гидро-дедиазонирования и реакции Гомберга- Бахмана в среде неполярных растворителей с использованием липофильных АДБС.
4. Доказано, что в присутствии Et3N АДБС реагирует по механизму одноэлектронного переноса с образованием свободных радикалов.
5. Показана возможность ковалентной модификации нано- и макроповерхности с использованием АДТ в водной среде и АДБС в неполярных средах.
6. Модифицированные графитовые и стеклоуглеродные электроды
показали высокую чувствительность и селективность при вольтамперометрических измерениях микроэлементов и
органических соединений.
7. Впервые предложено использование модифицированных
наноразмерных частиц для лечения атеросклероза. Создан прототип коронарного стента с полимерным биодеградируемым полимером наполненным модифицированными наноразмерным материалом.
2. Показано, что АДТ и АДБС обладают высокой или соизмеримой реакционной способностью в сравнении с арендиазоний хлоридами и арендиазоний тетрафторборатами в важнейших органических превращениях (азо-сочетание, галогенирование, восстановление, синтез азидов, триазенов, формазанов, реакциях Хека-Матсуда, реакциях Сузуки, реакциях Гомберга-Бахмана).
3. Впервые показана возможность протекания реакций галоиддедиазонирования, гидро-дедиазонирования и реакции Гомберга- Бахмана в среде неполярных растворителей с использованием липофильных АДБС.
4. Доказано, что в присутствии Et3N АДБС реагирует по механизму одноэлектронного переноса с образованием свободных радикалов.
5. Показана возможность ковалентной модификации нано- и макроповерхности с использованием АДТ в водной среде и АДБС в неполярных средах.
6. Модифицированные графитовые и стеклоуглеродные электроды
показали высокую чувствительность и селективность при вольтамперометрических измерениях микроэлементов и
органических соединений.
7. Впервые предложено использование модифицированных
наноразмерных частиц для лечения атеросклероза. Создан прототип коронарного стента с полимерным биодеградируемым полимером наполненным модифицированными наноразмерным материалом.
