Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор. реакция алифатических аминов в окислительных системах 6
1.1,. Реакции окисления аминогруппы 7
1.1.1. Оксигенирование аминов 7
1.1.2. Другие редакции замещения.водорода при атоме азота 10
1.1.3. Окислительная димеризация.с.образованием связи азот-азот II
1.1.4. Окислительное замещение аминогруппы 13
1.2 Реакции, окисления по атомам азота и углерода 13
1.2.1. Окисление первичных и вторичных.аминов. без деградации скелета 13
1.2.2. Окислительное дезалкилирование.третичных и вторичных аминов 25
1.3.. Реакции окисления углеродного скелета .. 26
1.3.1. Алкилирование аминов по о -положению 26
1.3.2. Введение карбонильной функции в Х-шложение и родственные реакции 28
1.3.3. о , р -Дегидрирование аминов 30
1.3.4. Окисление с разрывом связи.С/ -С/л\... 32
1.3.5. Перегруппировка Штиглица 35
1.3.6. Окисление -положений, с. сохранением аминогруппы.. 36
1.4.. Реакции окислительной циклизации по атому N 37
1.4.1. Циклизация в результате перегруппировки типа Гсфлана-Лефлера-Фрайтага 37
1.4.2. Циклизация под действием одноэлектронных окислителей
ГЛАВА II. Обсуждение результатов 46
II.1. Окисление первичных н-алкиламинов в системе , пероксидисульфат натрия - хлорная медь 47
II.2. Окисление.первичных аминов феррицианидом калия 54
II.3. Окисление первичных аминов в системах, содержащих, пероксидисульфат. натрия и , цианид-ион 59
II,4. Окисление вторичных ди(н-алкил)аминов в системе, пероксиди сульфат. натрия, -хлорная медь 70
II.5. Окисление вторичных ди(н-алкил)аминов в системе пероксидисульфат натрия - цианид-ион 73
II.6. Окисление насыщенных, азотистых.гетероциклов.т азациклоалканов 77
II.7. О механизме.одноэлектронного.окисления аминов 88
ГЛАВА III. Экспериментальная часть 91
Выводы 130
Список литературы 132
- Реакции, окисления по атомам азота и углерода
- Реакции окисления углеродного скелета
- Окисление.первичных аминов феррицианидом калия
- Окисление вторичных ди(н-алкил)аминов в системе пероксидисульфат натрия - цианид-ион
Введение к работе
Развитие в последние годы эффективных избирательных методов генерирования органических свободных радикалов в окислительно-восстановительных системах позволило резко расширить круг объектов исследования и перейти от изучения строения и химических превращений радикалов к радикалам с не спаренным электроном на атомах кислорода, азота, фосфора, серы, элементов подгруппы кремния. В исследовании кислород центрированных - алкоксильных, пероксильных, карбонилоксильных радикалов и их применении в органическом синтезе достигнуты несомненные успехи....
В то же время химические превращения других радикалов, в частности, азот центрированных аминильных, изучены значительно менее подробно. В первую очередь это объясняется сложным, неселективным характером реакций алкил- и диалкилами-нильных радикалов. Неполнота, часто отсутствие сведений о поведении аминильных радикалов в окислительно-восстановительных системах резко ограничивает возможность использования этих радикалов, а также реакций окисления аминов в органическом синтезе, затрудняет исследование механизма переноса электрона в биологических азотсодержащих системах. В этой связи актуальным является изучение одноэлектронного окисления органических аминов и реакций генерированных из них аминильных радикалов различного типа в окислительно-восстановительных системах.
Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование одноэлектронного окисления первичных и вторичных аминов алифатического и алициклического рядов и азациклоалканов и генерируемых из них алкил- и диалкиламинильных радикалов в системах на основе пероксидисульфата натрия и феррицианида калия.
Среди поставленных задач были: исследование зависимости окислительных превращений аминов от их строения и природы окислителя, изыскание селективных методов модификации аминогруппы и углеродного скелета и разработка на их основе эффективных способов перехода от аминов к полиазот- и кислородсодержащим соединениям, установление новых генетических связей между различными классами органических соединений.
Работа состоит из 3 глав. Первая глава - "Литературный обзор" - посвящена систематизации данных по реакциям аминов главным образом, алифатического и алициклического рядов, в окислительно-восстановительных системах. Во второй главе - "Обсуждении результатов" - рассмотрены реакции одноэлектронного окисления первичных и вторичных алкил- и диалкиламинов и азациклоалканов под действием систем на основе пероксидисульфата натрия, a также феррицианида калия. В третьей главе - "Экспериментальной части" -приведены характеристики исходных веществ и продуктов реакций, основные методики окисления, синтеза исходных и эталонных соединений и их физико-химические характеристики. Завершается работа "Выводами" и списком цитированной литературы.
Реакции, окисления по атомам азота и углерода
Окисление алифатических аминов, имеющих атомы водорода при о(-углеродном атоме, обычно протекает с повышением кратности C-N -связи При этом образующиеся имины, если окисление проводят в присутствии воды, гидролизуются до карбонильных соединений В случае окисления вторичных аминов могут образовываться также азометины Представленные выше в общем виде реакции являются наиболее широким классом окислительных превращении алифатических аминов под действием разнообразных одно- и двухэлектронных окислителей. Так, 13 превращает первичные амины в нитрилы /48/. Более мягкий и селективный аналог I?g - (2) - ведет окисление аминов, имеющих Н-атомы, только до иминов, при гидролизе которых образуются альдегиды и кетоны с выходом до 50% /44/: Пероксид никеля (Ni C x O) является эффективным окислителем для превращения первичных аминов и диаминов в нитрилы с выходом -50-90$ /49,50/; реакция протекает на поверхности твердого окислителя. Мягкая, моделирующая биохимическое действие аминотрансфераз реакция дезаминирования первичных алифатических аминов протекает под действием затрудненных орто-хинонов /51-55/ или 2-формил/пи-ридина /56/. Механизм взаимодействия включает образование из амина и окислителя азометина (3).
Далее под влиянием основания происходит прототропная перегруппировка (3) в изомерный азометин (4) и гидролиз перегруппированного азометина (4) Метод является исключительно мягким и используется в химии природных соединений, например, при получении кетоз из аминодезокси-сахаров /52/. Метил-4-форшлііиридиний бензолсульфонат, превращающий амины в альдегиды в мягких условиях, также используется для дезаминирования аминокислот, аминосахаров, алифатических и циклоалифатических аминов /57/. 4-Дезатоксофлавины (5) вызывают биомиметическое окисление аминов в альдегиды /58,59/. По своеглу действию, например, в представленной ниже схеме авторециклического аэробного окисления аминов (5) моделируют каталитическое поведение никотннамидных кофермент ов. (6) (7) R = тетраизобутилрибитил На примере окисления бензиламина под действием 3-гидрокси-N-метилакридиния (8) показано, что (8) может участвовать более чем в 20 каталитических циклах: анаэробный выход бензальдегида 85%, а аэробный - свыше 2000% на взятый окислитель /62/. амин ч Образующиеся при окислении сульфонилпероксидами О-сулъфо-нилзамещенные гидроксиламины под действием щелочей элиминируют имины, которые далее гидролизуются до альдегидов /25/ Имеющиеся литературные данные позволяют сформулировать механизм окисления алифатических аминов одноэлектронными окислителями. Первой стадией является окисление амина до аминиевого катион-радикала (9) /9 /. из которых в результате окислительного депротонирования образуется имин RR/G=NR// (IOh В дальнейшему зависимости от природы амина, окислителя, а также от условий проведения окисления,(10) либо гидролизуется до карбонильного соединения, либо окисляется дальше до нитрила. Часто возможно одновременное протекание обоих этих процессов, В соответствии с рассмотренным механизмом окисляют амины соединения Agf+. Пиколинат серебра(2+) - одноэлектронный окислитель, превращающий первичные втор-алкиламины в кетоны с выходом до 95% /64/.Ш алкиламинов, содержащих 2 атома водорода в о -положении, образуются, в зависимости от условий окисления, соответствующие альдегиды /64,65/ или смесь альдегидов с нитрилами со значительным преобладанием последних /66/. К аналогичным результатам приводит окислительное действие Адр.
При этом из алифатических аминов образуются нитрилы с выходом 75-87$, часто с примесью альдегидов (до 20$) /67/. Авторы считают, что Адр представляет собой смесь оксидов Ag+ и Ар +, последние и являются окислителями. Общая схема превращения первичных аминов под действием системы Nag Os "" а " - 2 %» по м 111110 авторов, включает на первой стадии их дегидрирование или оксигенирование, приводящее за За счет разложения пероксидисульфата в реакционной смеси создается кислая среда, что способствует гидролизу альдимина. Поэтому добавление в реакционную смесь щелочи поддерживает слабощелочное значение рН /68,69/. Участие о -атомов водорода подтверждается тем, что трет-ал й В настоящее время обычно считают, что Ag+ окисляются SO до ионов Ао +, которые и ведут дальнейшее окисление /70/. киламины в этих условиях не окисляются. Вторичные амины окисляются до соответствующих азометинов /69/ В случае вторичных циклических аминов - пиперидина и пирро-лидина - также может происходить образование внутренних оснований Шиффа: 2,3,4,5-тетрагидропиридина /43/ и 2,3-дигидро-4Н-пир-рола (И) /71/. При этом (И) тримеризуется с образованием пер-гидротрис(ітрролоСІ,2-а:І,2-с:І,2-еЗ-І,3,5-триазина) (12) /71/ Показано, что образованию (Щ предшествует генерирование 1-пирролидинильного радикала /71/. Аналогичный (12) тример из пиперидина может быть получен при его окислении MaOCt или N-хлорсукцинимидом через стадию образования N-хлорамина /72/. Под действием РЬ(ОАс) первичные амины с о -метиленовой группой окисляются в нитрилы с выходом до 60% /73,74/. Предлагаемая авторами схема окисления включает образование продуктов ами-нолиза РЬ(ОАс) и их гомолиз с генерированием пар радикалов, или непосредственное элиминирование, ведущее к имину или нитрилу /74/
Вопросам механизма окисления азотсодержащих соединений -РЬ(0Ас)4 посвящена работа /75/, в которой рассмотрены возможные гомолитический и гетеролигический пути протекания этой реакции, а также синхронное 1,2-элиминирование. Использование других окислителей для превращения первичных и вторичных аминов в нитрилы, азометины и карбонильные соединения иллюстрирует таблица I.I. В последние годы получили развитие электрохимические методы окисления аминов. Наиболее широко используются для этой цели оксидированные Hi , Ag, Си или Со электроды /98/. Электрохимическое окисление аминов на таких электродах позволяет получать нитрилы и кетоны с выходами 50-85$ /98/. Электрохимически осуществлена также реакция ароматизации насыщенных азотсодержащих гетероциклов /99/.
Реакции окисления углеродного скелета
Образрэщиеся в результате одноэлектронного окисления аминов Ы-аминоалкильные радикалы /2,63,142/ являются одними из ключевых промежуточных частиц в дальнейших реакциях. При анодном окислении бензилдиметиламина в метаноле в присутствии BH4NBE4 происходит о -мет оксидирование субстрата, при этом образуются продукты метоксидирования по метильной (17) и - Аналогичный механизм предложен для электрохимической реакции трибензиламина с малоновым эфиром или HP0(0Et)2 выход 70$ /144/. (PhCH N + I CHCOOEt - (PhCH2)2NCH(Ph)CH(C00Et)2 Другие карбанионы также могут присоединяться по ы-положению амина. Известна реакция. Х -цианирования третичных аминов при их автоокислении в присутствии цианидов /12/. Приводя к наращиванию углеродного скелета молекулы, реакции окислительного о -алкилирования аминов в сочетании с реакциями свободнорадикального алкилирования, например, алкилирования пиперидина и N-триметилсилилпиперидина 1-октеном, стали играть.в последнее время заметную роль в органическом синтезе /145,146/.
Алкилирование производных пиперидина алкенами в присутствии свободнорадикальных инициаторов приводит к 2-алкилпиперидинам с количественным выходом и с примесью до 15% 2,6-диалкилпроизвод-ных /146/. Она является одним из направлений автоокисления или гидро-перекисного окисления третичных аминов /12/ Подробно изучен механизм катализируемого Pt автоокисления N -метилпиперидина, также протекающего по «к-положению /148/. Энергично окисляет метильные группы метилдиалкиламинов Мп02 С высоким выходом (до 93$) образуются амиды из третичных аминов, имеющих о -метиленовую группу, под действием РЬСіуШз4" Мп04"\ из вторичных и первичных аминов выход амидов несколько ниже /149/. Аналогично фотосенсибилизированному происходит окисление аминов под действием С " /150/. Разработаны методы каталитического окисления азотсодержащих гетероциклов в лактамы (выход 65-85$) /151,152/. Цикл работ посвящен окислению замещенных третичных циклических аминов под действием этилендиаминтетраацетата ртути (Нс +-ЭДТА) /153-157/. При наличии гидроксильных или замещенных аминогрупп в цепи окисление протекает через промежуточное образование геминальных алкоксиаминов или аминалеи и приводит к лактамам с выходами 65-95$ /154/. Из ЇМ ашноалкил) пиперидинов с первичной аминогруппой лактамы не образуются, а происходит циклизация по о -положению с выходом до 90$ /155-157/. Этот метод широко используется для построения скелета полициклических алкалоидов. Окислительное дегидрирование аминов по Ы) (& )-связи представляет простой и эффективный путь к енаминам.
Отщепление Н202 от о -гидропероксиаминов, образующихся при автоокислении в присутствии перекисных инициаторов, приводит к енаминам /І58-І6І/. Широко используется метод окисления циклических третичных аминов Hg(0Ac)2, позволяющий вводить двойную связь в ,в -положения в цикле /162-165/. Подборка работ, посвященных получению . циклических енаминов с помощью Hg(0Ac)2, приведена в обзоре /5/. Реакция, как считают, протекает по гетеролитическому механизму /7/. Основанный на работах Іеонарца /162-165/ метод получил широкое применение в синтезе алкалоидов /166,167/ и азастероидов /168/. Распространение этого метода на полициклические амины, содержащие атом N как в голове моста, так и в других положениях, ЕОЗВОЛИЛО вводить в молекулу одновременно ,р -двойную связь и карбонильную функцию /169/, Среди других окислителей, вызывающих о р -дегидрирование-аминов, отметим систему CeCSO - CrOg, использующуюся для дегидрирования замещенных 4-пиперидонов, выход продуктов 35-80$ /170,171/. Триэтиламин под действием фотовозбужденного (синглетного) транс-стильбєна превращается в винилдиэтиламин /172/, Дегидрирование этим агентом несимметричных аминов приводит к нескольким продуктам, причем селективность реакции, механизм которой включает промежуточное образование -аминоалкилышх радикалов, зависит от стерических факторов и кинетической кислотности на стадии депротонирования /172/.
Окисление.первичных аминов феррицианидом калия
Мягкий одноэлектронный окислитель - Kge(CA/)g в щелочной-среде широко использовался для окислительного дезалкилирования третичных и втдричных аминов /109,116,231/. .. Мы изучили-окислительные превращения первичных н-алкил-,. втор-алкил.- и трет-алкиламинов в присутствии этого окислителя. Первичные н-алкиламины (Іб-r) под действием системы ._ K EetCMg-NaOH в водных растворах при 70 при использовании эк-вимольных.количеств реагентов окисляются в нитрилы (2б-г) (таблица П.З). K.OHgCHgNHg + 4e(CN) + 40Н — CH2C=N + 4e(CW)g"" + 4HgO В реакции окисления гептиламина (1в) идентифицирована также гептилмочевина (16в). Другие продукты превращений аминов (I) не обнаружены. Таким образом, окисление первичных н-алкиламинов под действием Кз?е(С1\06 является простым методом синтеза из них алкилциа-нидов. Мы полагаем, что механизм реакции включает одноэлектронное окисление аминов (Іб-г) в аминильные (7б-г) или -аминоал-кильные. (8б-г) радикалы, их дальнейшее окисление в альдимины. (9б-г). и одноэлектронное окисление последних в нитрилы (2бт-г)-по аналогии с рассмотренной выше схемой образования нитрилов в системе 2- По-видимому,.в условиях реакции промежуточные альдимины (9). окисляются достаточно быстро, так„как.не удалось обнаружить соот ветствующие альдегиды СН2СН0 (66-г) - продукты гидролиза альди минов (9). Гептилмочевина (16в) образуется, наиболее вероятно, в результате окисления гептиламинильного радикала (7в) под действием Kge(CN)g.no механизму окислительного замещения с переносом CN -группы в гептилцианамид (Ї7в), который в условиях реакции гидро Феррицианид калия является весьма малоэффективным агентом цианирования органических соединении. Известна лишь реакция
С-цианирования гетероароматичесішх N -оксидов /232/. Образование гептилмочевины - первый пример N-цианирования под действием Кзе(СЮ6. Выход (16в) СИЛЬНО зависит от условий реакции, что, . как подтверждено контрольным экспериментом (опыт. 22)., обусловлено его дальнейшим гидролизом в исходный гептиламин (1в) при рН "12 /233/. Оказалось, что в тех же условиях направление реакции совершенно меняется при переходе к первичным аминам с аминогруппой у вторичного атома углерода. . Первичные втор-алкиламины ER CHN (ІВа-в) под действием K3e(GN)g. в щелочной среде претерпевают.реакцию окислительной димеризации с образованием гидразонов (19а-в) (таблица П.4). (20а-в), которые.в присутствии соединений Ре /е , промотирующих димеризацию свободных радикалов /234/, превращаются в NjN-диза-мещенные гидразины,(21а-в). Последние в условиях реакции окисляются в гидразоны (19а-в). \ циклогексилгидразина (21в) под действием K3e(CN)g в стандартных условиях реакции в циклогексилгидразон циклогексанона (19в) с выходом 80$ (опыт 26). Различие в химическом поведении н-алкиламинильных радикалов Ш Сіуін (7) и втор-алкиламинильных радикалов ER CHNH (20) обус ловлено, по нашему мнению, стерическим затруднением подхода 5e(CN)g при окислительном депротонировании (20) в соответствую щие кетимины.Я К. C=NH и указывает на сложный механизм, окисления радикалов (7) в (9), возможно, с участием железоорганических со единений, . . . Анилин (22) - ароматический первичный амин,..не содержащий -атомов водорода в. о - положении к NHg-rpyime, - под действием системы I EetChOg-NaOH в результате окислительной димеризации ... превращается в азобензол (23), выход 80$ на окислитель и на превращенный (22) при его конверсии 25$ (опыт 27). Механизм реакции близок к рассмотренному выше для втор-алкиламинов. Аналогичная реакция малохарактерна для трет-алкиламинов. Примеров их окислительной.димеризации очень немного /44/. В изучен-, ных нами условиях трет-бутиламин - алифатический аналог анилина -инертен к.действию окислительной системы феррицианид - щелочь (опыт 28). Таким образом, характер превращений аминов под действием фер
Окисление вторичных ди(н-алкил)аминов в системе пероксидисульфат натрия - цианид-ион
В развитие исследованной нами новой реакции окислительного N-цианирования первичных аминов (см. раздел П.З) мы изучили реакции вторичных аминов (34а,е) в системе Nao Og-NaCN-NaOH в ЗГ"" тановили, что при использовании эквимольных количеств субстрата и компонентов окислительной системы в воде при 70 образуются N l-диалкилцианамиды (40а,е), N,N -диалкилмочевины (41а,е), U,N-диалкилгидроксиламины (42а,е) и 2-(диалкиламино)ажанонитрилы (43а,е) (таблица П.9). Приведенные данные показывают, что диалкиламины (34а,е), подобно н-алкиламинам (Ia-в), подвергаются реакции окислительного N -цианирования с образованием цианамидов (40а,е) и продуктов их гидратации - мочевин (41а,е). Механизм реакции, наиболее вероятно, включает одноэлектронное окисление (34а,е) до диалкиламиниль-ных радикалов (37а,е) и их последующее окисление в диалкиламиние-вые катионы (44а,е) Промежуточное образование дибутиламиниевого катиона (44е) установлено при изучении кинетики окисления (34е) под действием PhgDGI /249/. Взаимодействие (44а,е) с присутствующими в среде нуклеофила-ми - CN" и ОН" (или HgO) приводит соответственно к ковалентносвя-занным продуктам реакции с "переносом лиганда" - цианамидам (40а, е) и гидроксиламинам (42а,е)
К цианамидам (40а,е) может также приводить рекомбинация ами-нильных радикалов (37а,е) с радикалами CN , образующимися при пероксидисульфатном окислении ионов ON" /237/. При окислительном депротонировании (37а,е) или (38а,е) или депротонировании (44а,е) образуются азометины (Па,е), дальнейший гидролиз которых в условиях реакции приводит к альдегидам (6а,е). При взаимодействии последних с исходными (34а,е) в присутствии ионов ОМ" по схеме типа реакции Штреккера получаются 2-(диалкилами-но)алканонитрилы (43а,е) Такой механизм образования (43а,е) подтвержден контрольным экспериментом (опыт 51). Также показано, что трибутиламин практически инертен в условиях окисления в системе Ь в ОМ-МаОН (опыт 52). Это позволяет исключить альтернативный механизм обра + зования (43а,е) в результате гидроцианирования (KPH CI CHCiy - продукта дегидратации аминоспиртов (45а,е). Среди продуктов реакции (34а,е) не были обнаружены N-бутил-пирролидин (46) или И-пентил-2-метилпирролидин (47), образование которых ожидалось вследствие возможной перегруппировки (37а,е) с 1,5-миграцией Н-атома (типа Гофмана-Лефлера-Фрайтага) с последующей окислительной циклизацией 4-аминоалкильного радикала /35,199/ Полученный встречным синтезом (46) не был идентичен ни одному из продуктов окисления (34е) под действием системы Na2S208-NaCN NaOH.
Очевидно, в этом случае также проявляется принцип, согласно которому пути превращения диалкиламинильных радикалов (37) определяются способом их генерирования /246-248/. Сравнение результатов по окислительному N-цианированию первичных н-алкиламинов (Ia-в), суммарный выход цианамидов и мочевин из которых достигает 70$ (см. раздел П.З), и вторичных диалкил-аминов показывает, что реакция последних протекает менее избирательно. По-видимому, это обусловлено большей склонностью диалкил-аминильных радикалов (37), по сравнению с алкиламинильными (7), к окислению до соответствующих аминиевых катионов /9/, которые неселективно взаимодействуют с присутствующими в реакционной среде ну-клеофилами - CN"" и ОН" (или HgO). Строение всех продуктов реакций установлено на основании спектральных данных и подтверждено сравнением с полученными встречным синтезом образцами N,N -дибутнлмочевины (40е), N,N -дибу-тилгидроксиламина (42е), 2-(М,Н-дипентиламино)гексанонитрила и 2-(М,М-дибутиламино)пентанонитрила (43 а,е). Полученные результаты позволяют заключить, что в системе N a2 0Q-NaCN-Na0H доминирует окисление диалкиламинов (34) по механизму окислительного замещения с образованием продуктов N-цианирования - цианамидов (40) и мочевин (41) и продуктов N-гидрокси-лирования - К,М-диалкилгидроксиламинов (42). В изученных реакциях одноэлектронного окисления первичных и вторичных алифатических аминов характер превращений промежуточных аминиевых катион-радикалов, аминильных и -амнноалкильных радикалов определялся преимущественно электронной конфигурацией подвергающегося окислению атома азота и лишь во вторую очередь - структурой углеводородных заместилелей при азоте. Роль этого фактора резко возрастает при переходе к пергидропроизводным моноядерных азотистых гетероциклов - азациклоалканам, направление окислительных превращений которых в значительной мере зависит от конформаци-онных эффектов (Байеровское напряжение) в промежуточных катион-ра
