Синтез, реакционная способность и новые области применения арендиазоний тозилатов и арендиазоний додецилбензолсульфонатов в органическом синтезе
|
Общая характеристика работы 5
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1 Реакции дедиазонирования ароматических солей диазония с
образованием связи углерод-гетероатом в условиях «зеленой химии» 12
1.2 Реакции дедиазонирования ароматических солей диазония с
образованием новых С-С связей в условиях «зеленой химии» 25
Глава 2. Ароматические соли диазония алкилбензолсульфокислот и их реакционная способность в воде и органических растворителях 36
2.1 Новые превращения арендиазоний тозилатов в воде 36
2.1.1 Арендиазоний тозилаты как субстраты для получения
ароматических азидов в условиях «зеленой химии» 36
2.1.2 Арендиазоний тозилаты как реагенты для арилирования
олефинов в условиях реакции Матсуды-Хека в воде 45
2.1.3 Исследование реакционной способности арендиазоний
тозилатов в реакции Сузуки-Миюары 55
2.1.4 Исследование хемоселективности взаимодействия
арендиазоний тозилатов в условиях конкурирующих реакций Матсуды - Хека и Сузуки-Миюары 69
2.2 Синтез и превращения арендиазоний
додецилбензолсульфонатов в воде и органических растворителях 84
2.2.1 Синтез арендиазоний додецилбензолсульфонатов 84
2.2.2 Бромо-дедиазонирование арендиазоний
додецилбензолсульфонатов 90
2.2.3 Гидро-дедиазонирование арендиазоний
додецилбензолсульфонатов 93
2.2.4 Реакции дедиазонирования арендиазоний
додецилбензолсульфонатов в водных средах с образованием связей углерод-гетероатом 98
2.2.5 Реакции дедиазонирования арендиазоний
додецилбензолсульфонатов в водных средах с образованием связей углерод-углерод 102
Глава 3. Экспериментальная часть 104
Выводы 132
Список литературы 134
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1 Реакции дедиазонирования ароматических солей диазония с
образованием связи углерод-гетероатом в условиях «зеленой химии» 12
1.2 Реакции дедиазонирования ароматических солей диазония с
образованием новых С-С связей в условиях «зеленой химии» 25
Глава 2. Ароматические соли диазония алкилбензолсульфокислот и их реакционная способность в воде и органических растворителях 36
2.1 Новые превращения арендиазоний тозилатов в воде 36
2.1.1 Арендиазоний тозилаты как субстраты для получения
ароматических азидов в условиях «зеленой химии» 36
2.1.2 Арендиазоний тозилаты как реагенты для арилирования
олефинов в условиях реакции Матсуды-Хека в воде 45
2.1.3 Исследование реакционной способности арендиазоний
тозилатов в реакции Сузуки-Миюары 55
2.1.4 Исследование хемоселективности взаимодействия
арендиазоний тозилатов в условиях конкурирующих реакций Матсуды - Хека и Сузуки-Миюары 69
2.2 Синтез и превращения арендиазоний
додецилбензолсульфонатов в воде и органических растворителях 84
2.2.1 Синтез арендиазоний додецилбензолсульфонатов 84
2.2.2 Бромо-дедиазонирование арендиазоний
додецилбензолсульфонатов 90
2.2.3 Гидро-дедиазонирование арендиазоний
додецилбензолсульфонатов 93
2.2.4 Реакции дедиазонирования арендиазоний
додецилбензолсульфонатов в водных средах с образованием связей углерод-гетероатом 98
2.2.5 Реакции дедиазонирования арендиазоний
додецилбензолсульфонатов в водных средах с образованием связей углерод-углерод 102
Глава 3. Экспериментальная часть 104
Выводы 132
Список литературы 134
Актуальность исследования. Химия ароматических диазониевых солей является одной из наиболее обширных областей органической химии. Доступность исходных аминов и диазотирующих реагентов, а также высокая активность солей диазония в широком спектре реакций обеспечивают высокий и постоянный интерес к данному классу органических соединений.
Общеизвестные синтетические достоинства диазониевых солей сопряжены с рядом серьезных недостатков, среди которых низкая стабильность в сухом состоянии, плохая растворимость в воде (для наиболее распространенных арендиазоний тетрафторборатов), нерастворимость в неполярных средах. В то же время возрастающие требования к экологической безопасности и эффективности химических процессов стимулируют интенсивный поиск новых активных реагентов, применение которых удовлетворяет требованиям «зеленой химии».
Около десяти лет тому назад на кафедре БИОХ ТПУ был впервые получен и идентифицирован ряд арендиазоний тозилатов (ArN2+-OTs, АДТ); показано, что эти соли диазония стабильны в сухом состоянии, хорошо растворимы в воде и в органических растворителях высокой и средней полярности, а также сочетают взрывобезопасность и высокую химическую активность. Таким образом, АДТ избавлены от известных пороков ароматических диазониевых солей, дешевы в получении и могут найти широкое применение в лабораторной практике и химической промышленности. Реализация этой актуальной задачи требует дальнейших исследований реакционной способности АДТ и расширения возможностей их синтетических применений, особенно в рамках «зеленой химии».
Традиционные ароматические диазониевые соли гидрофильны, за исключением редких примеров солей с липофильными алкоксильными группами в диазониевом фрагменте (AlkOC6H4N2+-BF4) и комплексов диазоний- катионов с краун-эфирами или полиэтиленгликолями [1,2]. В связи с этим химия диазониевых солей до настоящего времени изучалась по большей части в полярных средах. Потенциально возможен иной, более простой способ придания липофильных свойств диазониевым солям - использование выраженных липофильных противоионов, например, алкилбензолсульфонатов. Однако данный вариант до сих пор не реализован, и диазониевые соли с алкилбензолсульфонатными противоионами не были выделены, идентифицированы и изучены. Таким образом, получение и определение свойств арендиазоний додецилбензолсульфонатов как первых потенциальных представителей липофильных диазониевых солей представляет фундаментальный интерес для органической химии, расширит знания о химии диазониевых солей и границы практического применения данного класса органических соединений.
Работа выполнялась при поддержке грантов РФФИ 12-03-31594 мол_а, РФФИ 14-03-00743а, 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», Государственных заданий «Наука» № 3.3060.2011 и № 2387, Государственного задания № 11.9179.2014 (грант ДААД).
Цель работы.
1. Разработать новые синтетические методы трансформации ароматических солей диазония алкилбензолсульфокислот с образованием новых связей С-С и С-гетероатом, отвечающие требованиям «зеленой химии».
2. Получить, охарактеризовать и исследовать свойства первых представителей арендиазоний сульфонатов с липофильными противоионами и оценить влияние алкильного заместителя в структуре аниона арендиазоний алкилбензолсульфонатов на их реакционную способность в важнейших превращениях.
Научная новизна.
1. Впервые показана высокая реакционная способность арендиазоний алкилбензолсульфонатов в реакциях с олефинами, борными кислотами и их производными в условиях Pd-катализируемых реакций Матсуды-Хека и Сузуки-Миюары в водной среде.
2. Впервые обнаружено положительное влияние координирующих opmo-заместителей в структуре АДТ на скорость протекания реакции Сузуки-Миюары.
3. Впервые изучены реакции АДТ с алкенилборными соединениями и предложены методы управления региоселективностью протекания этих реакций с образованием стиролов с высокими выходами.
4. Впервые в индивидуальном виде получены арендиазоний додецилбензолсульфонаты (АДБС), исследована их структура и реакционная способность. Обнаружено, что АДБС проявляют высокую реакционную способность в реакциях бромо- и гидро-дедиазонирования действием галоидметанов в отсутствие меди.
5. Впервые проведено изучение влияния алкильного заместителя в структуре аниона солей диазония на их реакционную способность в реакциях замещения диазо-группы. Показано, что увеличение длины алкильного заместителя противоиона (переход от АДТ к АДБС) снижает реакционную способность арендиазоний алкилбензолсульфонатов в водной среде, но обеспечивает высокую реакционную способность в неполярных средах.
Практическая значимость.
• Разработан удобный и простой метод синтеза арилазидов с использованием взрывобезопасных АДТ в водной среде.
• Предложены мягкие синтетические методы проведения реакций Матсуды-Хека и Сузуки-Миюары на основе АДТ и АДБС в воде, отвечающие требованиям «зеленой химии».
• Подобраны условия для региоселективного взаимодействия АДТ с производными винилборной кислоты, приводящие к образованию замещенных стиролов.
• Разработан общий метод синтеза арендиазоний додецилбензолсульфонатов в индивидуальном виде, доказана их взрывобезопасность, предложены методы гидро- и бромо-дедиазонирования полученных АДБС действием тригалоидметанов в отсутствие меди.
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 2010, 2011, 2012 г.), Международных конференциях студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск 2010, 2012 г.), Молодежных школах-конференциях «Актуальные проблемы органической химии» (Новосибирск 2010, Екатеринбург 2011, Новосибирск 2012, Шерегеш 2015 г.), международном симпозиуме «Advanced Science in Organic Chemistry» (п. Кореиз, Украина 2010 г.), международной научно-практической конференции молодых ученых «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений» (Томск 2010 г.), I Международной Российско-Казахстанской конференции по химии и химической технологии (Томск 2011 г.), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград 2011 г.), Международном конгрессе по органической химии (Казань 2011 г.), Всероссийских научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск 2013, 2015 г.), Менделеевской конференции молодых ученых (Казань 2013 г.), XXVIII Международной научно-технической конференции «РЕАКТИВ- 2013» (Иркутск 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи, материалы 23 докладов, тезисы 2 докладов.
Объем и структура работы. Работа изложена на 153 страницах, содержит 3 рисунка, 30 схем и 19 таблиц. Состоит из 3 глав, выводов и списка литературы из 180 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность prof., Dr. S. Brase и Dr. N. Jung (Технологический университет Карлсруэ, Германия), к.х.н. В. К. Ольховику и А. В. Станкевичу (Институт химии новых материалов НАН Беларуси), prof., Dr. J. Parello (Медицинский центр университета Вандербилт, США) за ценные консультации и помощь в проведении исследований. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.х.н., проф. В. Д. Филимонову, а также к.х.н. М. Е. Трусовой и к.х.н. П. С. Постникову (Томский политехнический университет) за помощь и постоянное внимание к работе.
Положения, выносимые на защиту.
• Некаталитические и Pd-катализируемые реакции дедиазонирования арендиазоний сульфонатов и пути их эффективного использования в синтезе ароматических соединений в рамках концепции «зеленой химии».
• Первые представители взрывобезопасных арендиазоний сульфонатов с липофильным противоионом, методы их получения и химические свойства.
Общеизвестные синтетические достоинства диазониевых солей сопряжены с рядом серьезных недостатков, среди которых низкая стабильность в сухом состоянии, плохая растворимость в воде (для наиболее распространенных арендиазоний тетрафторборатов), нерастворимость в неполярных средах. В то же время возрастающие требования к экологической безопасности и эффективности химических процессов стимулируют интенсивный поиск новых активных реагентов, применение которых удовлетворяет требованиям «зеленой химии».
Около десяти лет тому назад на кафедре БИОХ ТПУ был впервые получен и идентифицирован ряд арендиазоний тозилатов (ArN2+-OTs, АДТ); показано, что эти соли диазония стабильны в сухом состоянии, хорошо растворимы в воде и в органических растворителях высокой и средней полярности, а также сочетают взрывобезопасность и высокую химическую активность. Таким образом, АДТ избавлены от известных пороков ароматических диазониевых солей, дешевы в получении и могут найти широкое применение в лабораторной практике и химической промышленности. Реализация этой актуальной задачи требует дальнейших исследований реакционной способности АДТ и расширения возможностей их синтетических применений, особенно в рамках «зеленой химии».
Традиционные ароматические диазониевые соли гидрофильны, за исключением редких примеров солей с липофильными алкоксильными группами в диазониевом фрагменте (AlkOC6H4N2+-BF4) и комплексов диазоний- катионов с краун-эфирами или полиэтиленгликолями [1,2]. В связи с этим химия диазониевых солей до настоящего времени изучалась по большей части в полярных средах. Потенциально возможен иной, более простой способ придания липофильных свойств диазониевым солям - использование выраженных липофильных противоионов, например, алкилбензолсульфонатов. Однако данный вариант до сих пор не реализован, и диазониевые соли с алкилбензолсульфонатными противоионами не были выделены, идентифицированы и изучены. Таким образом, получение и определение свойств арендиазоний додецилбензолсульфонатов как первых потенциальных представителей липофильных диазониевых солей представляет фундаментальный интерес для органической химии, расширит знания о химии диазониевых солей и границы практического применения данного класса органических соединений.
Работа выполнялась при поддержке грантов РФФИ 12-03-31594 мол_а, РФФИ 14-03-00743а, 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», Государственных заданий «Наука» № 3.3060.2011 и № 2387, Государственного задания № 11.9179.2014 (грант ДААД).
Цель работы.
1. Разработать новые синтетические методы трансформации ароматических солей диазония алкилбензолсульфокислот с образованием новых связей С-С и С-гетероатом, отвечающие требованиям «зеленой химии».
2. Получить, охарактеризовать и исследовать свойства первых представителей арендиазоний сульфонатов с липофильными противоионами и оценить влияние алкильного заместителя в структуре аниона арендиазоний алкилбензолсульфонатов на их реакционную способность в важнейших превращениях.
Научная новизна.
1. Впервые показана высокая реакционная способность арендиазоний алкилбензолсульфонатов в реакциях с олефинами, борными кислотами и их производными в условиях Pd-катализируемых реакций Матсуды-Хека и Сузуки-Миюары в водной среде.
2. Впервые обнаружено положительное влияние координирующих opmo-заместителей в структуре АДТ на скорость протекания реакции Сузуки-Миюары.
3. Впервые изучены реакции АДТ с алкенилборными соединениями и предложены методы управления региоселективностью протекания этих реакций с образованием стиролов с высокими выходами.
4. Впервые в индивидуальном виде получены арендиазоний додецилбензолсульфонаты (АДБС), исследована их структура и реакционная способность. Обнаружено, что АДБС проявляют высокую реакционную способность в реакциях бромо- и гидро-дедиазонирования действием галоидметанов в отсутствие меди.
5. Впервые проведено изучение влияния алкильного заместителя в структуре аниона солей диазония на их реакционную способность в реакциях замещения диазо-группы. Показано, что увеличение длины алкильного заместителя противоиона (переход от АДТ к АДБС) снижает реакционную способность арендиазоний алкилбензолсульфонатов в водной среде, но обеспечивает высокую реакционную способность в неполярных средах.
Практическая значимость.
• Разработан удобный и простой метод синтеза арилазидов с использованием взрывобезопасных АДТ в водной среде.
• Предложены мягкие синтетические методы проведения реакций Матсуды-Хека и Сузуки-Миюары на основе АДТ и АДБС в воде, отвечающие требованиям «зеленой химии».
• Подобраны условия для региоселективного взаимодействия АДТ с производными винилборной кислоты, приводящие к образованию замещенных стиролов.
• Разработан общий метод синтеза арендиазоний додецилбензолсульфонатов в индивидуальном виде, доказана их взрывобезопасность, предложены методы гидро- и бромо-дедиазонирования полученных АДБС действием тригалоидметанов в отсутствие меди.
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 2010, 2011, 2012 г.), Международных конференциях студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск 2010, 2012 г.), Молодежных школах-конференциях «Актуальные проблемы органической химии» (Новосибирск 2010, Екатеринбург 2011, Новосибирск 2012, Шерегеш 2015 г.), международном симпозиуме «Advanced Science in Organic Chemistry» (п. Кореиз, Украина 2010 г.), международной научно-практической конференции молодых ученых «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений» (Томск 2010 г.), I Международной Российско-Казахстанской конференции по химии и химической технологии (Томск 2011 г.), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград 2011 г.), Международном конгрессе по органической химии (Казань 2011 г.), Всероссийских научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск 2013, 2015 г.), Менделеевской конференции молодых ученых (Казань 2013 г.), XXVIII Международной научно-технической конференции «РЕАКТИВ- 2013» (Иркутск 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи, материалы 23 докладов, тезисы 2 докладов.
Объем и структура работы. Работа изложена на 153 страницах, содержит 3 рисунка, 30 схем и 19 таблиц. Состоит из 3 глав, выводов и списка литературы из 180 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность prof., Dr. S. Brase и Dr. N. Jung (Технологический университет Карлсруэ, Германия), к.х.н. В. К. Ольховику и А. В. Станкевичу (Институт химии новых материалов НАН Беларуси), prof., Dr. J. Parello (Медицинский центр университета Вандербилт, США) за ценные консультации и помощь в проведении исследований. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.х.н., проф. В. Д. Филимонову, а также к.х.н. М. Е. Трусовой и к.х.н. П. С. Постникову (Томский политехнический университет) за помощь и постоянное внимание к работе.
Положения, выносимые на защиту.
• Некаталитические и Pd-катализируемые реакции дедиазонирования арендиазоний сульфонатов и пути их эффективного использования в синтезе ароматических соединений в рамках концепции «зеленой химии».
• Первые представители взрывобезопасных арендиазоний сульфонатов с липофильным противоионом, методы их получения и химические свойства.
1. Разработаны новые направления использования хорошо растворимых и безопасных арендиазоний тозилатов (АДТ) в органическом синтезе в водных средах, удовлетворяющие требованиям «зеленой химии»:
а) общий и эффективный синтез арилазидов из АДТ и NaN3или через диазотирование ароматических аминов в водной среде в присутствии p- TsOH с последующей реакцией с NaN3.
б) Pd-катализируемые синтезы алкениларенов и бифенилов конденсацией АДТ с алкенами и аренборными кислотами;
2. Обнаружено, что скорость реакции АДТ, содержащих орто-заместители, с аренборными кислотами и их трифторкалиевыми производными существенно выше, чем реакции с пара- и мета- замещенными АДТ.
3. Установлено, что АДТ проявляют высокую реакционную способность в реакциях с производными винилборной кислоты с образованием смеси продуктов. Тем не менее, найдено, что реакция между АДТ и винитрифторборатом калия (ВФБК) протекает селективно при использовании 2.5 кратного избытка ВФБК в бифазной системе H2O/Et2O с образованием труднодоступных замещенных стиролов с выходами 57-73 %.
4. Впервые получены в индивидуальном виде ароматические соли диазония с липофильным противоионом - арендиазоний додецилбензолсульфонаты (АДБС), доказана их структура и взрывобезопасность.
5. Впервые показано, что АДБС способны вступать в реакции гидро - и бромо-дедиазонирования в среде хлороформа и бромоформа в присутствии триэтиламина
6. Было проведено сравнение реакционной способности АДТ и АДБС в реакциях образования новых связей C-N и C-C в водных средах и показано, что при увеличении длины алкильного заместителя противоиона увеличивается время реакции, и снижаются выходы целевых продуктов.
а) общий и эффективный синтез арилазидов из АДТ и NaN3или через диазотирование ароматических аминов в водной среде в присутствии p- TsOH с последующей реакцией с NaN3.
б) Pd-катализируемые синтезы алкениларенов и бифенилов конденсацией АДТ с алкенами и аренборными кислотами;
2. Обнаружено, что скорость реакции АДТ, содержащих орто-заместители, с аренборными кислотами и их трифторкалиевыми производными существенно выше, чем реакции с пара- и мета- замещенными АДТ.
3. Установлено, что АДТ проявляют высокую реакционную способность в реакциях с производными винилборной кислоты с образованием смеси продуктов. Тем не менее, найдено, что реакция между АДТ и винитрифторборатом калия (ВФБК) протекает селективно при использовании 2.5 кратного избытка ВФБК в бифазной системе H2O/Et2O с образованием труднодоступных замещенных стиролов с выходами 57-73 %.
4. Впервые получены в индивидуальном виде ароматические соли диазония с липофильным противоионом - арендиазоний додецилбензолсульфонаты (АДБС), доказана их структура и взрывобезопасность.
5. Впервые показано, что АДБС способны вступать в реакции гидро - и бромо-дедиазонирования в среде хлороформа и бромоформа в присутствии триэтиламина
6. Было проведено сравнение реакционной способности АДТ и АДБС в реакциях образования новых связей C-N и C-C в водных средах и показано, что при увеличении длины алкильного заместителя противоиона увеличивается время реакции, и снижаются выходы целевых продуктов.



