CC BY
58
УДК 547.539.04
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕПАРАТИВНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИОДИРУЮЩИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ N-ИОДАЦЕТАМИДА
В.К. Чайковский, A.A. Функ, O.A. Мартынюк, В.Д. Филимонов, Т.С. Кеи,*
Томский политехнический университет E-mail: [email protected] *Томский государственный педагогический университет
N-иодацвтамид в органических растворителях в присутствии Н2504 успешно иодирует алкилбензолы, ароматические амины и эфиры фенолов. Активность электрофильного иода регулируется кислотностью среды. Суперэлектрофильный иод, образующийся при растворении N-иодацетамида в серной кислоте, легко взаимодействует с электронодефицитными аренами при
0...20 "С с образованием иодированных продуктов.
Иодирующие способности N-иодамидов и N-иодимидов известны давно, но ранее их применение в реакциях иодирования ограничивалось взаимодействием с очень небольшим кругом ароматических субстратов, в основном ариламинов и эфиров фенолов. И только в последние 10-15 лет иодирующие возможности некоторых соединений со связями N-I удалось значительно расширить. В первую очередь это относится к таким веществам как N-иодсукцинимид [1-4] и N, N, N, N-тетраи-одгликолурил [4-6]. N-иодацетамид (NIA) в этот ряд пока не вошел.
Целью данного исследования явилось детальное изучение препаративных возможностей иодирующих систем на основе N-иодацетамида в среде органических растворителей и серной кислоте.
Как и в более ранних работах [2, 3, 5] в качестве модельных соединений для исследования процессов иодирования нами были выбраны 1,2,4,5-те-траметилбензол (дурол) и нитробензол. На их примере была исследована эффективность применения NIA для иодирования ароматических соединений с электронодонорными и электроноакцепторными группами. Иодирование дурола (1а) проводилось в различных органических растворителях (табл. 1). Так как в нейтральной и слабокислой среде NIA малоактивен, то реакции осуществлялись в присутствии небольших количеств серной кислоты. Мы полагаем, что роль H2S04 в этом случае, предположительно, сводится к ацидолизу N-ио-дацетамида до ацетамида и образованию соединения гипоиодитного характера, вероятно, иодби-сульфата (схема 1).
н,с----с + h2so4 --------► н3с------с + i-hso4
\ \
NH-I Схема 1 NH2
В подтверждение данной схемы говорит тот факт, что после растворения NIA в H2S04 в спектрах ЯМР 13С, полученного раствора, присутствует только сигнал карбонильной группы незамещенного протонированного ацетамида при 181,5 м.д., который полностью идентичен соответствующему сигналу спектра эталонного ацетамида в H2S04. Это
приводит к заключению, что электрофильный иод ^иодацетамида сначала переходит в серную кислоту, а уже затем образовавшийся интемедиат осуществляет иодирование субстрата (схема 2).
I
Схема 2 jq
Эффективность действия растворителей при иодировании арена 1а оказалась различной (табл. 1).
Таблица 1. Иодирование дурола системами NIA-органиче-ский растворитель-серная кислота
Растворитель Время реакции, мин Выход продукта (16), % Т.пл. техн. продукта (16), °С
Уксусная кислота 30 84 11...78
Этанол 30 75 76..Л
Метанол 30 74 7S...77
Диоксан 10 47 71...73
Ацетон 20 42 62...64
Диметилформамид 20 36 63...65
Удовлетворительные результаты были получены в уксусной кислоте, этаноле и метаноле. Но монои-оддурол (16) лучшего качества с т.пл. 77...78 °С был выделен при использовании уксусной кислоты (литерат. т.пл. соединения 16 78...79 °С).
В уксусной кислоте, этаноле и метаноле после загрузки NIA осадок моноиодида 16 начинает выпадать почти сразу, но полная конверсия арена 1а в иодированный продукт 16 протекает за 25...30 мин. Значительно худшие результаты получены в дио-ксане, ацетоне и ДМФА. В этих растворителях продукт 16 выпадал в осадок из реакционной массы только при разбавлении ее водой и имел т.пл. значительно ниже справочной. Кроме того нами было замечено, что ацетон в этом процессе сам частично может взаимодействовать с NIA с образованием слезоточивого а-иодацетона.
При проведении синтеза необходимо предварительное растворение субстрата в уксусной кислоте с добавлением серной кислоты и затем, при достижении необходимой температуры, прибавление
Таблица 2. Иодирование активированныхаренов системой NIA-CH3C00H(Et0H)-H2S04 при 20°С
Субстрат Растворитель Время реакции, мин Продукт Выход, % Т.пл., "С. (раств.)
Дурол (1а) АсОН 30 Иоддурол (16) 84 77...78 (EtOH)
Дурол (1а) АсОН 40 Дииоддурол (1в) 58 161...162 (EtOH)
Мезитилен (2а) АсОН 30 Иодмезитилен (26) 50 29...30 (МеОН)
Мезитилен (2а) АсОН 40 Дииодмезитилен (2в) 86 74...75 (EtOH)
Флуорен (За) АсОН 60 2,7-Дииодфлуорен (36) 72 208...209 (толуол)
Дифенил (4а) АсОН 60 4,4'-Дииоддифенил (46) 53 203...204 (АсОН)
4-Нитроанилин(5а) EtOH 30 2,5-Дииод-4-нитроанилин (56) 89 249...251 (РгОН)
Ацетанилид (6а) EtOH 30 4-Иодацетанилид (66) 83 183...184 (EtOH)
Анизол (7а) EtOH 30 4-Иоданизол(76) 69 50...52 (МеОН)
Дифениловый эфир (8а) EtOH 30 4,4'-Дииоддифениловый эфир (86) 83 138...139 (EtOH)
NIA по частям. При добавлении субстрата 1а к реакционной массе в последнюю очередь, выход продукта 16 снижается в среднем на 10... 12 %, так как в предварительно приготовленной смеси NIA-CH3C00H-H2S04 наблюдается разложение NIA с выделением неактивного металлического иода.
По данной методике из дурола 1а кроме монои-оддурола 16 нами был получен дииоддурол (1в), из мезитилена (2а) моноиод- (26) и дииод- (2в) мези-тилены. Флуорен (За), дифенил (4а) и 4-нитроани-лин (5а) проиодированы до соответствующих ди-иодпроизводных (36, 46, 56) (табл. 2).
При иодировании аренов, содержащих аминогруппу (5а, 6а) и эфиров фенолов (7а, 8а) наиболее эффективной оказалась система NIA - EtOH -H2S04. При получении дииодпроизводных, с введением каждого дополнительного атома иода в субстрат, кислотность среды необходимо увеличивать добавлением кратного количества серной кислоты. Полностью исключив органический растворитель и проводя синтез в H2S04, активность иодирующей системы с участием NIA удается повысить многократно (табл. 3).
Например, реагент, полученный растворением NIA в H2S04 с плотностью 1,828 г/см3, легко иодирует нитробезол (9а), 2-нитротолуол (10а), бензойную (11а) и фторбензойную (12а) кислоты, бен-зальдегид (13а), бензофенон (14а), флуоренон (15а), бензил (16а) с образованием соответствующих иодпроизводных (96-166). Реакция протекает при 0...3 °С за 30...60 мин (табл. 3). Оптимизация
процесса получения иоднитробензола (96) показала, что в отличие от иодирования аренов с электро-нодонорными группами в органических растворителях, где используются эквимольные соотношения субстрат - N-иодацетамид, в растворе H2S04 для введения одного атома иода в нитроарен 9а требуется двукратный мольный избыток NIA. Точно такие же соотношения соблюдаются и при введении иода в дезактивированные субстраты (10а-16а). Ранее отмечалось, что при иодировании аренов в серной кислоте двукратный избыток реагента был также необходим при использовании N-иодсукцинимида [2] и N, N, N, N-тетраиодгли-колурила [5]. Подобную стехиометрию процесса можно объяснить образованием и присутствием в растворах H2S04 электрофильного трииод-катиона (1з+) [7], но это требует дальнейшего изучения и экспериментального подтверждения.
Экспериментальная часть
Хроматографический контроль за ходом реакций и чистотой полученных веществ осуществляли методом ТСХ на пластинках Sorbfil при проявлении УФ светом. Спектры ЯМР 13С снимали на спектрометре Bruker AS-300, внешний стандарт - D20. Строение продуктов иодирования определяли на основании их спектральных характеристик, аналитических данных и сопоставления с аутентичными образцами. Пробы смешения полученных соединений с известными образцами депрессии температуры плавления не дают. N-иодацетамид получали по методике [8].
Таблица 3. Иодирование аренов, содержащих дезактивирующие группы, реагентом на основе NIA в Н2504 при 0...3’С
Субстрат Время реакции, мин Продукт Выход, % Т.пл, °С, (раств.)
Нитробензол(9а) 60 З-Иоднитробензол(96) 75 35...36 (МеОН)
2-Нитротолуол (10а) 60 4-Иод-2-нитротолуол (106) 40 59...60 (МеОН)
Бензойная кислота (11а) 60 З-Иодбензойная кислота (116) 88 185...187 (РгОН)
4-Фторбензойная кислота (12а) 90 З-Иод-4-фторбензойная кислота (126) 78 173...174 (РгОН)
Бензальдегид (13а) 30 З-Иодбензальдегид (136) 65 55...56 (ЕЮН)
Бензофенон (14а) 30 3,3'-Дииодбензофенон (146) 63 145...147 (EtOH)
Флуоренон (15а) 60 2,7-Дииодфлуоренон (156) 67 204...205 (бензол)
Бензил(16а) 30 3,3'-Дииодбензил (166) 80 127...128 (ЕЮН)
Общая методика иодирования в органических растворителях. 5 ммоль субстрата (1а-8а) растворяли в 15 мл уксусной кислоты (или ЕЮН) и при охлаждении добавляли 1 мл серной кислоты (1,828 г/см3). Затем при перемешивании и -20 °С добавляли 0,93 г (5 ммоль) 1Ч-иодацетамида. Смесь перемешивали в течение 30...60 мин. Реакционную массу выливали в воду. Осадки отфильтровывали и сушили, при необходимости перекристаллизовывали. Низкоплавкие продукты экстрагировали дихлор-метаном, сушили СаС12, растворитель отгоняли. При получении дииодпроизводных загрузку субстрата уменьшали в два раза.
Иоддурол (16). 0,67 г (5 ммоль) дурола (1а) растворяли в 15 мл уксусной кислоты и при охлаждении добавляли 1 мл серной кислоты (1,828 г/см3). Затем при перемешивании и комнатной температуре добавляли 0,93 г (5 ммоль) 1Ч-иодацетамида. Смесь перемешивали в течение 30 мин. Реакционную массу выливали в воду, осадок отфильтровывали и сушили. Выход иоддурола (16) 0,96 г (74 %). Т.пл. 77...78 °С
4-Иодацетанилид (66). 0,68 г (5 ммоль) ацетани-лида (6а) растворяли в 15 мл этанола и при охлаждении добавляли 1 мл серной кислоты (1,828 г/см3). Затем при перемешивании и -20 °С добавляли 0,93 г (5 ммоль) 1Ч-иодацетамида. Смесь перемешивали в течение 30 мин. Реакционную массу выливали в воду, осадок отфильтровывали и сушили. Выход 4-ио-дацетанилида (66) 1,08 г (83%). Т.пл 183... 184 °С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Olah G.A., Wang Qi, Sandford G., Prakash G.K.S. Iodination of Deactivated Aromatics with N-Iodosuccinimide in Trifluoro-methanesulfonic Acid (NIS - CF3S03H) via in Situ Generated Su-perelectrophilic Iodine (I) Trifluoromethanesulfonate // J. Org. Chem. - 1993. - V. 58. - P. 3194-3195.
2. Чайковский В.К., Филимонов В.Д., Скороходов В.И. Синтез и использование N-иодсукцинимида в H2S04 как эффективного реагента для иодирования дезактивированных ароматических соединений // Журнал органической химии. - 2001. - Т. 37. -Вып. 20. - № 10. - С. 1572-1573.
3. Чайковский В.К., Филимонов В.Д., Скороходов В.И. Иодирование ароматических соединений N-иодсукцинимидом в органических растворителях в присутствии H2S04 // Известия вузов. Химия и хим. технология. - 2002. - Т. 43. - Вып. 3. -С. 48-51.
4. Чайковский В.К., Филимонов В.Д., Скороходов В.И., Сарыче -ва Т.А., Харлова Т.С. Иодирование ароматических а-дикето-нов новыми суперэлектрофильными реагентами // Известия вузов. Химия и хим. технология. - 2002. - Т. 43. - Вып. 3. -С. 45-47.
Приготовление реагента на основе NIA в серной кислоте. В колбу помещали 20 мл 93 %-ной (1,828 г/см3) H2S04, охлаждали до температуры -0 °С, затем постепенно при перемешивании добавляли 0,93 г (5 ммоль) N-иодацетамида и продолжали перемешивание при комнатной температуре (-20 °С) еще в течение 15...20 мин до полного растворения NIA и получения гомогенного раствора темно-коричневого цвета.
Общая методика иодирования реагентом на основе NIA в серной кислоте. К приготовленному реагенту добавляли 2,5 ммоль ароматического субстрата (9а-13а) и перемешивали в течение
30...60 мин при температуре 0...3 °С. Для получения дииодпроизводных (146-166) загрузку субстратов (14а-16б) уменьшали в два раза. По окончании синтеза реакционную массу выливали в воду и промывали 5 % раствором сульфита натрия. Осадки отфильтровывали, сушили, при необходимости перекристаллизовывали.
З-Иоднитробензол (96). К приготовленному реагенту добавляли 0,31 г (2,5 ммоль) нитробензола и перемешивали в течение 60 мин при температуре 0...3 °С. По окончании синтеза реакционную массу выливали в воду и промывали 5 % раствором сульфита натрия. Продукт 96 экстрагировали хлористым метиленом, сушили СаС12, растворитель отгоняли. Выход 3-иоднитробензола 0,47 г (75 %). Т.пл.
35...36 °С.
5. Chaikovski V.K., Filimonov V.D., Yagovkin A.Y., Kharlova T.S. 2,4,6,8-Tetraiodoglykoluril in sulfuric acid as a new available and powerful reagent for iodination ofdeaktivated arenes//Tetrahedron Lett. - 2000. - V. 41. - № 47. - P. 9101-9104.
6. Чайковский В.К., Филимонов В.Д., Яговкин А.Ю., Огородников В.Д. 2,4,6,8-Тетраиод-2,4,6,8-тетраазаби-цикло[3.3.0]ок-тан-3,7-дион как универсальный и мягкий реагент для иодирования ароматических соединений // Известия РАН. Сер. хим. - 2001. - Т. 50. - № 12. - С. 2302-2306.
7. Филимонов В.Д., Краснокутская Е.А., Полещук О.Х., Лесина Ю.А., Чайковский В.К. Изучение электронного строения и реакционной способности иодирующих агентов в газовой фазе и растворах методом функционала плотности // Известия РАН. Сер. химическая. - 2006. - № 8. - С. 1280-1288.
8. Gottardi W. Uber die Reaktion von N-Bromoverbindungen mit lod: eine einfache Synthesemethode fur N-Iodverbindungen // Mo-natsh. Chem. - 1975. - Bd. 106. - № 4. - S. 1019-1025.
Поступила 6.12.2006 г.
