Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электрохимическое фторирование органических соединений 7
1.1. Электрохимическое фторирование алканов, алкенов и алкилгалогенидов 8
1.2. Электрохимическое фторирование ароматических соединений 10
1.3. Электрохимическое фторирование спиртов и простых эфиров.. 14
1.4. Электрохимическое фторирование альдегидов и кетонов 18
1.5. Электрохимическое фторирование карбоновых кислот и их производных 19
1.6. Электрохимическое фторирование аминов и аминоспиртов 23
1.7. Электрохимическое фторирование сероорганических соединений 27
1.8. Электрохимическое фторирование соединений фосфора 30
1.9. О механизмах электрохимического фторирования 31
1.10. Электрохимическое фторирование в безводных органических растворителях (селективное электрохимическое фторирование) 33
Глава 2. Электрохимическое фторирование и гидрофторирование 47
2.1. Электрохимическое фторирование непредельных сульфидов и сульфонов 47
2.2. Электрохимическое фторирование метилфенилсульфона 58
2.3. Электрохимическое фторирование ацетофенона и бензофенона 63
2.4. Электрохимическое фторирование бензамида и ацетанилида 74
2.5. Взаимодействие непредельных гетероатомных соединений с фтористым водородом 80
2.6. N-Замещенные трифторметансульфонамиды 85
Глава 3. Экспериментальная часть 88
Выводы 103
Список цитированной литературы 105
- Электрохимическое фторирование ароматических соединений
- Электрохимическое фторирование карбоновых кислот и их производных
- Электрохимическое фторирование метилфенилсульфона
- Взаимодействие непредельных гетероатомных соединений с фтористым водородом
Введение к работе
Органическая химия фтора очень молода по сравнению с
большинством других разделов химии. Первые работы по синтезу
фторорганических соединений были выполнены Свартсом более века
Л назад и вошли в практику в виде его именной реакции взаимодействия
хлорорганических или броморганических соединений с трифторидом
сурьмы с добавкой свободного хлора или брома [1-3]. Однако развитие
химии фтороорганических соединений тормозилось вплоть до конца 30-х
годов прошлого века из-за трудностей, связанных с хранением и
<ф использованием высокоактивных и вызывающих коррозию фторирующих
агентов. Открытие уникальных свойств фреонов (хладонов) и возникшая
во время второй мировой войны потребность в хемо- и термостойких
материалах сильно продвинули вперед исследования в области
органических соединений фтора. Вскоре были разработаны методы
^ синтеза различных перфтор и фторхлоролефинов, полимеризацией
которых были получены новые смазочные материалы и полимеры, превзошедшие по химической устойчивости благородные металлы [4].
Вариации в составе фреонов, в частности, переход от хлорфтор-углеродов к бромфторуглеродам, привели в начале 60-х годов к созданию исключительно эффективных средств пожаротушения, т.н. «галонов» [5]. Такими средствами пожаротушения оборудованы современные самолеты.
Введение атома фтора в молекулы красителей привело к резкому повышению их стойкости к свету, выцветанию под действием кислорода воздуха и к механическим воздействиям (стирке и др.). Фторсодержащие красители, в основном фторзамещенные азины, появились на мировом рынке лишь в последние - 30 лет [5].
Большое значение приобрели фторорганические соединения в медицине. Это, прежде всего, абсолютно безвредные и не дающие
последствий общие анестетики ингаляционного действия (флуотан CF3CHCIBr, флуоксен CF3CH2OCH=CH2, десфлуран CF3CHFOCHF2). Широко известен противораковый препарат 5-фторурацил, получаемый прямым фторированием урацила, противовоспалительные средства -синалар и локакортен, депрессанты - трифтораминазин, и др. [5]. Отдельного упоминания заслуживают кровезаменители - водные перфторуглеродные эмульсии, получаемые ультразвуковым облучением или гомогенизацией при высоком давлении смесей воды с перфторуглеродами, например, перфтордекалином. Эти эмульсии являются прекрасными переносчиками кислорода (перфторан, «голубая кровь»), которые, благодаря малому размеру «носителя», способны проникать в тончайшие капилляры и предотвращать гангрену. Такими свойствами, кроме перфтордекалина, обладают, например, третичные перфторалкиламины и перфторированные эфиры [5-9].
Фторорганические соединения обладают широким диапазоном физиологической активности. Это позволило получить вещества, начиная от абсолютно безвредных, парами которых можно заменить азот воздуха и находиться в этой атмосфере сколь угодно долго, до чрезвычайно высокотоксичных веществ, которые при концентрации в воздухе 1-2 мг/л способны вызывать смерть от одного вдоха. Например, это хорошо известные боевые фосфорорганические отравляющие вещества нервно-паралитического действия - фторангидриды эфиров метилфосфоновой кислоты — зарин, зоман, V-газы.
Синтез и исследование реакционной способности фтор-органических соединений привели и к очень важным выводам в теоретическом плане. Это в первую очередь относится к вопросам взаимного влияния атомов, природы водородной связи, проблем сопряжения и сверхсопряжения и многим другим.
Существует несколько основных способов получения фтор-органических соединений, т.е., методов введения атома фтора в молекулу органического соединения. Один из наиболее широко применяемых - это обмен галогена (хлора или брома) на фтор под действием неорганических фторидов (NaF, KF, HgF2, AgF, AgF2, C0F3, SbF3 и др.). Другой способ, специфичный для получения ароматических и гетероароматических фторидов — разложение тетрафторборатных солей арилдиазония - реакция Шимана. Фторирование элементным фтором, как препаративный метод, осложняется высокой экзотермичностью процесса и образованием, как правило, перфторированных соединений. Тем не менее, и в этом направлении в последнее время достигнут существенный прогресс.
Особняком от этих «классических» методов, каждый из которых имеет прямые аналогии со способами получения хлорорганических или броморганических соединений, стоит метод электрохимического фторирования органических соединений в безводном фтористом водороде (метод Саймонса). Именно метод электрохимического фторирования в приложении к ранее не изучавшимся непредельным сероорганическим соединениям и некоторым функциональнозамещенным ароматическим соединениям и является предметом настоящей диссертационной работы. Ниже, в литературном обзоре, будут рассмотрены основные принципы электрохимического фторирования и его применение для синтеза различных классов фторорганических соединений.
Диссертация изложена на 129 страницах, состоит из введения, трех глав - литературный обзор, обсуждение результатов, экспериментальная часть, выводов и списка литературы из 235 наименований, включает 2 таблицы и 2 рисунка.
Электрохимическое фторирование ароматических соединений
Бензол плохо растворим в жидком безводном фтористом водороде, и его растворы обладают незначительной электропроводностью [18]. Так, при исследовании электрохимического поведения бензола в жидком HF при 0С и анодной плотности тока 0.65 10 -1.8 10"2 а/см2 показано [19], что преимущественной реакцией на аноде является ионизация молекулярного водорода. Молекулярный водород появляется на аноде, вероятно, в результате диссоциативной адсорбции бензола на материале анода. Органические радикалы, образующиеся при дегидрировании бензола, взаимодействуют между собой с образованием полимера. В присутствии электропроводящих добавок, таких как NaF, при напряжении 5-7 В на никеле осуществляется обычное жесткое фторирование бензола с образованием перфторциклогексана и ряда фторуглеродов - продуктов деструкции исходной молекулы [20].
Из приведенной схемы видно, что фторирование как самого бензола, так и его галоидпроизводных сопровождается сужением цикла с образованием перфторметилперфторциклопентана. Фторбензол в результате электрохимического фторирования дает перфторциклогексан с лучшим выходом, чем бензол [20].
Основными продуктами электрохимического фторирования хлорбензола являются хлорундекафторциклогексан и перфторциклогексан. При электрохимическом фторировании jwema-дихлорбензола из продуктов деструкции с очень низким выходом был выделен 1,3-дихлордекафтор- циклогексан. Процесе фторирования сопровождался «хлопками», что можно объяснить выделением свободного фтора и его взаимодействием с молекулярным водородом в неразделенном газовом пространстве над электролитом [20].
Таким образом, при электрохимическом фторировании хлорарома-тических углеводородов атом хлора в бензольном кольце сохраняется, однако само кольцо полностью насыщается и превращается в циклогек-сановое. Это позволяет получать хлорированные полифторциклогексаны.
В противоположность вышеописанным соединениям, тиофенол, иард-хлортиофенол, jwe/иа-тиокрезол, 2-хлорпиридин и 3-хлорпиридин при растворении в безводном HF дают электропроводящие растворы, что объясняется их основным характером, особенно в случае пиридинов. В связи с этим, электрохимическое фторирование этих соединений проводилось без электропроводящих добавок, и процесе не сопровождался смолообразованием. Однако электрохимическое фторирование тиофенолов и пиридинов идет с расщеплением связей с гетероатомами (серой или азотом). В результате основными продуктами оказываются трифторид азота NF3 и гексафторид серы SF6 (элегаз), а также фторуглероды. Легкость расщепления связи углерод-гетероатом объясняется существенно меньшей энергией связи C-N (305 кДж/моль) и, особенно, связи C-S (259 кДж/моль) по сравнению со связью С-С (347 кДж/моль) [20].
При электрохимическом фторировании тиофенола и мета-тиокре-зола, кроме продуктов распада CF4, SF6, образуются перфторциклогексан и перфторметилперфторциклогексан. Общий выход продуктов фторирования составляет 64.3% в случае тиофенола и 94% в случае jwemdt-тиокрезола [20]. иорд-Хлортиофенол дает при электрохимическом фторировании перфторциклогексан и хлорундекафторциклогексан, т.е. процесс также идет с полной десульфуризацией [20].
Главными продуктами электрохимического фторирования 2- и 3-хлорпиридинов являются трифторид азота и перфторпентан, а в случае 3-хлорпиридина также 1-хлор - или 2-хлорундекафторпентан. 3 Хлор пиридин дает, кроме того, небольшое количество 3-хлор декафтор пиперидина. Для 2-хлор пиридина общий выход продуктов фторирования составляет 52.7%, для 3-хлорпиридина - 49.0% [20].
Электрохимическое фторирование СР3-замещенных бензолов, содержащих одну или две трифторметильные группы, дает с хорошим выходом производные перфторциклогексана содержащие эти группы. Хлорбензолы, содержащие группу CF3f дают хлорзамещенные производные перфторциклогексана тоже с сохранением трифторметильной группы [21]. Трифторметилбензонитрилы дают при электрохимическом фторировании перфтордиметилциклогексаны за счет того, что нитрильная группа при расщеплении образует трифторметильную группу и трифторид азота [21]. Выходы перфтордиметилциклогексанов невелики (10-20%), кроме того, образуются продукты присоединения фтора по связи CN
Электрохимическое фторирование карбоновых кислот и их производных
Для производных карбоновых кислот общей формулы RC(0)X при электрохимическом фторировании характерно расщепление связи С-Х с образованием в результате фторирования перфторацилфторида [15].
В 80-х годах разрабатывались различные усовершенствованные способы получения октаноил фторида путем усиления циркуляции электролита через электродный пакет [41]. Использование в этом процессе 1-метил-1-пропантиола для подавления образования полимерной пленки на поверхности анода позволило получить продукт с выходом 80% [42,43].
Электрохимическое фторирование 4-(перфтор-и-бутил)-н-бутаноил хлорида также приводит к перфтороктаноил фториду с высоким выходом. Побочные продукты, такие как тетрафторметан и перфтор-н-гептан, образуются в незначительных количествах [44]:
В работах японских электрохимиков изучалось электрохимическое фторирование сложных эфиров насыщенных [45,46] и ненасыщенных карбоновых кислот [31]. Механизм электрохимического фторирования сложных эфиров включает образование фторангидридов и спиртов путем сольволиза под действием HF. Образующиеся спирты превращаются во фторангидриды за счет окислительного фторирования у Са-атома по схеме [46]:
Ряд работ был посвящен электрохимическому фторированию азотсодержащих карбоновых кислот. В одной из первых таких работ [47] проводилось электрохимическое фторирование смеси метилового эфира и УУ -диметиламида iV V-диметилглицина. Основным продуктом фторирования обоих субстратов был фторангидрид перфтор- -диметилглицина. Кроме того, образуются перфтортриметиламин и фторангидрид iV V-бис-(трифторметил)карбаминовой кислоты, а также продукт циклизации — 2,2,4,4,5-пентафтор-ЛгїЛгїЗ-трис(трифторметил)-І,3-оксазолан-5-амин:
Детально электрохимическое фторирование азотсодержащих карбоновых кислот изучено в серии работ Abe и сотр. В случае а-замещенных аналогов ТУ -диметиламида Л ІУ-диметилглицина оно протекает аналогично, т.е., с образованием продуктов а-расщепления и циклизации [48]. В отличие от этого, при электрохимическом фторировании метиловых эфиров карбоновых кислот ряда глицина, аланина, /3-аланина, содержащих в качестве заместителей циклические аминные остатки — пирролидина, морфолина, пиперидина, гексаметиленимина и Г-метилпиперазина — продукты циклизации не образуются, а с хорошими выходами образуются соответствующие перфторацилфториды и продукты расщепления [49]. Например, при электрохимическом фторировании метил-2-пиперидино-ацетата ожидаемый перфтор(1-аза-7-окса-бицикло[4.3.0]нонан) не образуется, по мнению авторов, из-за стерических напряжений, возникающих при нахождении атома азота в месте сочленения циклов: Интересно, что при электрохимическом фторировании метилового эфира 3-цикл ore ксилпропионовой кислоты основным продуктом является не просто продукт полного фторирования (он образуется в следах), а продукт циклизации, содержащий два спиро-сочлененных цикла [50]: Эти же авторы исследовали электрохимическое фторирование диалкиламинозамещенных эфиров пропионовой [51], масляной и изомасляной [52] кислот, а также метил ацетата с морфолиновым [53] и гексагидроазепиновым [54] заместителями у а-углеродного атома, а также сложных эфиров карбоновых кислот с морфолиновыми заместителями [55].
Электрохимическое фторирование метилфенилсульфона
Для проверки сделанного предположения о большей легкости десульфуризации непредельных сульфонов по сравнению с предельными сульфонами мы исследовали электрохимическое фторирование метилфенилсульфона 8. Кроме задачи сравнения поведения непредельных и насыщенных сульфонов, такое исследование имело целью изучение возможности конкурентного фторирования в бензольное кольцо и в боковую цепь (метильную группу). В литературе конкурентное электрохимическое фторирование жирноароматических соединений изучалось только на примере толуола и изомерных фтортолуолов и было показано, что оно идет как в боковую цепь с образованием фторметил-фторбензолов, так и в кольцо с образованием метилтрифтор-1,4-циклогексадиенов [168, 211].
Анализ жидких продуктов электрохимического фторирования методами спектроскопии ЯМР Н, I3C, 19F и хроматомасс-спектрометрии показал, что фторирование идет исключительно в бензольное кольцо, при этом метилсульфонильная группа не затрагивается и продукты, содержащие полностью или частично фторированную метальную группу вида Ar-S02-CHnF3-n (n = 0-2) не образуются. Перфторалкилперфтор-циклогексаны - продукты десульфуризации, являющиеся основными продуктами электрохимического фторирования винилфенилсульфона 4 (см. раздел ИЛ) - также не обнаруживаются даже в следовых количествах. Основными продуктами электрохимического фторирования являются два изомера метил фторфенилсульфона 9, два изомера дифторфенилметил-сульфона 10 и метил-3,3,6,6-тетрафтор-1,4-циклогексадиен-1-илсульфон 11. В незначительном количестве среди продуктов реакции присутствует трифторид 12 - предшественник тетрафторида 11.
Двум изомерам метилфторфенилсульфона 9 была приписана структура орто- и ліе/иа-изомеров на основании анализа спектра ЯМР 1ЭС смеси продуктов процесса, в котором, помимо сигналов исходного сульфона 8, наблюдаются два набора расщепленных на атоме фтора дублетных сигналов. Химические сдвиги и константы спин-спинового расщепления JQF этих сигналов с высокой точностью совпадают с рассчитанными для opwo-метилфторфенилсульфона 9а и jwewa-метилфтор-фенилсульфона 96 с помощью симуляционной программы ACDLabs, при этом среднеквадратичные отклонения рассчитанных и экспериментальных химических сдвигов составляют 0.34 и 0.78 м.д., соответственно. Дополнительным доказательством правильности отнесения изомеров метилфторфенилсульфона 9 является наличие слабого дальнего взаимодействия с константой расщепления 4Jcuj-? 2.6 Гц в спектре ЯМР 13С минорного opno-изомера 9а и отсутствие такого расщепления в спектре мета-изомера 96. Соотношение изомеров 9а и 96, определенное из соотношения интенсивностей в спектре ЯМР I9F, составляет 1 : 2.6.
Детальный анализ спектров ЯМР 13С и ,9F позволяет достаточно уверенно приписать одному из изомеров продукта реакции 10 структуру метил-2,5-дифторфенилсульфона 10а. Наблюдаемые сигналы в спектре ЯМР l9F при —112.67 и -113.37 м.д. очень близки к таковым для его ближайшего аналога - 2,5-дифторфенилсульфонилфторида {-113.01 (opmo-F) и -114.68 (мета-F) [212]}. Вторым изомером дифторфенилметил-сульфона, скорее всего, является 2,6-дифторфенилметилсульфон 106, однако из-за низкого содержания в смеси однозначно определить его структуру не представляется возможным. Продукты циклогексадиениль-ного строения 11 и 12, очевидно, образуются именно из 2,5-дифторфенилметилсульфона 10а. Вначале идет взаимодействие с HF по типу 1,4-присоединения с нарушением ароматичности системы и образованием метил-3,3,6-трифтор-1,4-циклогексадиен-1-ил сульфона 12, который далее подвергается электрохимическому фторированию до метил-3,3,6,6-тетрафтор-1,4-циклогексадиен-1-ил сульфона 11. Продукт 11 был выделен в индивидуальном виде, он представляет собой бесцветные кристаллы. Строение его было окончательно установлено методом рентге неструктурно го анализа. Межатомные расстояния и валентные углы в молекуле соединения 11 приведены в таблице 2.
Таким образом, в отличие от винилфенилсульфона 4 (раздел II. 1), метилфенилсульфон 8 при электрохимическом фторировании не дает перфторалкилгтерфторциклогексанов, что согласуется со сделанным выше предположением о причинах легкой десульфуризации непредельных сульфонов. Процесс электрохимического фторирования идет регио-селективно в ароматическое кольцо, не затрагивая метальную группу, с образованием в основном продукта окислительного фторирования циклогексадиенильного строения.
Помимо установления состава реакционной смеси, метод хроматомасс-спектрометрии был использован для анализа распада образующихся соединений под действием электронного удара и выявил интересные особенности и отличия распада соединений 8-11. Соединения ароматического строения 8-10 претерпевают однотипный распад по двум основным направлениям - выброс из молекулярного иона (пик которого характеризуется достаточно высокой, до 46%, интенсивностью) молекулы гетер окумул єна CH2=S-0 с образованием катион-радикалов соответствующих фторированных фенолов [СбН4-„Рп(ОН)]+ и деметилирование с последующим десульфонилированием до фторарильных катионов [СбН5.пРп]+, дающих пики максимальной интенсивности в масс-спектре:
Взаимодействие непредельных гетероатомных соединений с фтористым водородом
При растворении в безводном фтористом водороде многие органические субстраты, имеющие основные центры, обычно протонируются, что и обеспечивает электропроводность получаемых растворов и возможность проведения электрохимического фторирования без электролитических добавок. Для выяснения вопроса о том, какие превращения могут идти с винилсульфидами и винилсульфонами при растворении их в безводном фтористом водороде до начала электрохимического фторирования, описанного в разделе 2.1., мы изучили поведение фенилвинил сульфида СбН58СН СН2 3, фенил винил су льфона C6H5S02CH=CH2 4 и дивинилсульфида (CH2=CH)2S 40 в среде безводного фтористого водорода. Для сравнения мы также исследовали поведение по отношению к безводному HF некоторых других непредельных гетеро- атомных субстратов, таких как бутилвиниловый эфир 41 и ЛУУ-диэтил-1- циклогексен-1-амин 42. Такое исследование представляет интерес еще и в связи с тем, что в литературе известно, что галогеноводороды НХ (X = О, Вг, I) на холоду легко и практически количественно присоединяются к виниловым эфирам или к винилсульфидам по правилу Марковникова с образованием а-галогенэтиловых эфиров ROCHXCH3 [221] и а-галоген-этилсульфидов RSCHXCH3 [222]. В то же время, сведения о взаимодействии виниловых эфиров и винилсульфидов с HF в литературе отсутствуют. Оказалось, что фенил винил сульфон 4, в котором винильная группа дезактивирована по отношению к электрофильным реагентам за счет электроноакцепторного эффекта сульфонильной группы, не реагирует с HF даже в жестких условиях и выделяется обратно без изменений при выдерживании его в растворе безводного HF в течение 4 ч при 90С. В то же время, винилсульфиды 3 и 40 при взаимодействии с безводным HF претерпевают превращения, инициируемые, по-видимому, каталитическим кислотным действием HF. Так, дивинилсульфид 40 при выдерживании в растворе HF при комнатной температуре в течение нескольких часов полимеризуется с образованием светло-кремового порошкообразного полимера, в котором содержание серы составляет 36%, а фтора 5%.
Длительное нагревание полученного полимера не меняет его состава, что указывает на химическое связывание фтора, а не наличие адсорбированного HF. Получений полимер не растворим в органических растворителях (бензол, метанол, дихлорэтан, CCU, ДМСО, ДМФА) и при нагревании выше 290С разлагается, что указывает на его сшитую структуру. Эти данные позволяют предположить следующую возможную структуру полимера со средней величиной п около 3: В аналогичных условиях фенилвинилсульфид 3 дает продукты, не содержащие винильной группы. После обработки реакционной смеси хлороформом, связывания избытка HF фторидом натрия, отгонки растворителя и вакуумирования был получен остаток в виде вязкого масла сине-зеленого цвета с характерным запахом, из которого перегонкой был выделен тиофенол. Несколько неожиданное образование тиофенола можно представить как результат последовательности превращений, включающей присоединение HF, протонирование по атому серы и расщепление по связи C-S с образованием летучих фторуглеводородов: Остаток после перегонки представляет собой сложную смесь; в ее спектре ЯМР Н отсутствуют сигналы винильных протонов исходного соединения и наблюдаются сложные мультиплеты в области ароматических (7.1-7.8 м.д.) и алифатических (1.0-3.5 м.д.) протонов в соотношении 5:4. По данным элементного анализа, фтор отсутствует. Все это указывает на образование продуктов олигомеризации первично образующегося катиона [PhSCHCH3]+, по составу близко отвечающих брутто-формуле (PhSC2H4)n.
Выделить или идентифицировать какие-либо индивидуальные продукты не удалось. Алифатические и ароматические дихлорвинилсульфиды RSCH=CCb (R = Н-С4Н9, Ph, п-С1С6Н4,) в мягких условиях (в эфире при 0С) не реагируют с безводным HF, а в более жестких условиях (без растворителя) подвергаются осмоленню; при этом единственными выделенными продуктами являются соответствующие дисульфиды RSSR. Ни в одном случае не были обнаружены продукты присоединения HF по двойной связи винил сульфидов [223]. Безводный HF не присоединяется и к двойной связи бутилвинилового эфира 41, однако инициирует различные его превращения. Направление реакции зависит от условий ее проведения, однако ни в одном из вариантов фторированные продукты не были получены. Пропускание HF в чистый винилбутиловый эфир на холоду (при 0С) в отсутствии растворителя приводит к образованию полибутил винилового эфира 43, что подтверждается данными спектроскопии ЯМР Ни С (см. экспериментальную часть). В то же время, при взаимодействии бутилвинилового эфира с эфирным раствором фтористого водорода образуется бутанол 44, дибутилацеталь ацетальдегида 45 и 1,1,3-трибутоксибутан 46. Продукты 44-46 были выделены в индивидуальном виде с помощью препаративной ГЖХ. Образование бутанола является либо результатом гидролиза бутилвинилового эфира следами воды, либо его расщепления под действием фтористого водорода до бутанола и винилфторида СНг СНР. Ацетали 45 и 46 представляют собой продукты взаимодействия бутилвинилового эфира с бутанолом и ацеталем 45, соответственно.