Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 7
1. Методы прямого иодирования ароматических соединений реагентами со связями и од-гетероатом 7
1.1. Иодирование посредством монохлорида иода и его комплексных солей 7
1.2. Методы прямого иодирования ароматических соединений с использованием N-I реагентов 15
1.2.1. Иодирование с использованием N-иодсукцинимида 15
1.2.2. Иодирование с использованием 1,3-Дииод-5,5-диметилгидантоина... 19
1.2.3. Иодирование с применением тетраиодгликолурила 20
1.2.4. Иодирование N-иодсахарином 22
1.3. Иодирование иодом в олеуме (катион 13+) 23
2. К вопросу о восстановлении иодаренов 23
3. Применение методов квантовой химии в определении механизма образования и активности иодирующих агентов 27
Глава 2. Теоретическое изучение реакции иодирования с применением квантово-химических методов 30
2.1. Зависимость энергетических барьеров реакции иодирования от рК ки-слот-противоионов для различных иодирующих частиц 30
2.2. Влияние различных факторов на термодинамику образования ст-комплекса реакции иодирования 39
2.2.1. Фактор субстрата 40
2.2.2. Фактор реагента. Индексы электрофильности иодирующих частиц. Активность частиц, содержащих трииод-катион 41
2.2.3. Фактор растворителя. Влияние полярности среды на термодинамику реакции иодирования 55
Глава 3. Иодирование ароматических соединений реагентами со связью азот-иод 70
3.1. 1,3-дииод-5,5-диметилгидантоин в серной кислоте - как суперэлектро-фильный иодирующий реагент 70
3.2. Иодирование ароматических соединений с использованием N-иодацетамида 73
3.2.1. Иодирование аренов, содержащих электроноакцепторные группы сие-темами N-иодацетамид-серная кислота
3.2.2. Иодирование активированных аренов в органических растворителях... 76
3.2.3. Исследование активности и региоселективности иодирующих систем типа N-I реагент-серная кислота, N-I реагент-трифторметансульфокислота... 79
3.3. Альтернативный метод генерации трииод-катиона 83
Глава 4. Дезиодирование иодаренов под действием галогеноводород-ных кислот 88
Глава 5. Экспериментальная часть 94
5.1. Теоретическое изучение реакции иодирования с применением квантово-химических методов 94
5.2. Иодирование ароматических соединений 95
5.3. Оценка активности и региоселективности иодирующих систем 97
5.4. Альтернативный метод генерации трииод-катиона. Иодирование ароматических соединений раствором трииод-катиона 98
5.5. Дезиодирование иодаренов под действием галогеново дородных кислот. 99
Выводы 102
Список литературы 103
- Иодирование посредством монохлорида иода и его комплексных солей
- Влияние различных факторов на термодинамику образования ст-комплекса реакции иодирования
- Иодирование ароматических соединений с использованием N-иодацетамида
- Дезиодирование иодаренов под действием галогеноводород-ных кислот
Введение к работе
Актуальность исследования. Органические иодпроизводные находят разностороннее применение в органическом синтезе, биохимии и медицине. Их используют как антивирусные и противомикробные препараты, синтетические гормоны щитовидной железы, рентгеноконтрастные вещества. По сравнению с хлором и бромом иод в арилиодидах обладает несравнимо большей подвижностью, и реакции его замещения служат одним из наиболее удобных способов образования С-С связей.
В последние годы процесс иодирования ароматических соединений активно изучается. Однако в основном это касается экспериментальной, качественной части исследований, где главными критериями являются время синтеза и выход продукта. К сожалению, количественные характеристики этого процесса до сих пор исследованы мало. Поэтому изучение взаимного влияния свойств растворителя, нуклеофильности субстрата и электрофильности реагента на термодинамические параметры реакции иодирования и дезиодирова-ния и создание на основе полученных результатов новых рекордных по активности иодирующих систем является актуальной задачей.
Цель работы. Теоретическое квантово-химическое и экспериментальное исследование процессов иодирования и дезиодирования ароматических соединений. Создание новых суперэлектрофильных иодирующих систем.
Научная новизна. Впервые неэмпирическими квантово-химическими методами и методами теории функционала плотности определены индексы глобальной и локальной электрофильности иодирующих агентов в газовой фазе и водной среде. Выявлены количественные зависимости термодинамики реакции электрофильного иодирования от влияния свойств субстрата, реагента и растворителя. Впервые теоретически показано, что термодинамические параметры реакции иодирования можно успешно регулировать, варьируя кислотность среды, электрофильность реагента и используя растворители с различной диэлектрической постоянной. Созданы новые суперактивные иоди-
рующие системы, проведена оценка их активности и региоселективности. Впервые предложен альтернативный способ генерации трииод-катиона в системах N-иодацетамид-иод-серная кислота, тетраиодгликолурил-иод-серная кислота. Впервые с использованием квантово-химических методов исследован процесс протодезиодирования иодаренов под действием минеральных кислот.
Практическая значимость. На основе квантово-химических расчетов даны практические рекомендации регулирования электрофильности иодирующих систем. Созданы новые, рекордные по активности, иодирующие системы на основе N-иодацетамида и 1,3-дииод-5,5-диметилгидантоина в серной и трифторметансульфокислоте, способные иодировать ароматические субстраты за короткое время и при сравнительно низкой температуре. При иодировании нитробензола достигнут абсолютно рекордный результат.
Апробация работы. Отдельные части работы докладывались и обсуждались на 3-й всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: "Наука и молодежь" (Барнаул, 2006 г.); международной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2006 г.); XLV международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс" (Новосибирск, 2007 г.); VIII всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов "Химия и химическая технология в XXI веке" (Томск, 2007 г.); всероссийской молодежной конференции по математической и квантовой химии (Уфа, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей, 2 доклада и тезисы 4 докладов.
Объем и структура работы. Работа изложена на 114 страницах, содержит 13 рисунков и 54 таблицы. Состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Глава 1 представляет литературный обзор по методам иодирования и дезиодирования ароматических соединений, а также применения квантово-химических методов в исследовании структуры и активности иодирующих агентов. В последующих главах излагаются и обсуждаются результаты
собственных исследований автора. Диссертация завершается выводами и списком литературы из 140 наименований.
Результаты работы, положения и выводы достоверно подтверждены современными физико-химическими методами исследования (хромато-масс-, ЯМР-, УФ- спектроскопия), квантово-химическими расчетами и сравнением характеристик полученных соединений с аутентичными образцами.
Диссертация выполнена на кафедре органической химии и технологии органического синтеза Томского политехнического университета, и автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры за помощь в ее выполнении. Автор благодарит своего научного руководителя профессора Витольда Кази-мировича Чайковского за помощь в проведении исследований и обсуждении полученных результатов.
Положения, выносимые на защиту: Результаты квантово-химических методов расчета. Строение и активность иодирующих частиц. Новые иодирующие системы и реагенты.
Иодирование посредством монохлорида иода и его комплексных солей
Хлористый иод как реагент для иодирования ароматических соединений известен почти полтора века. Ранние работы по использованию хлорида иода освещены в обзоре Терентьева А.П. и Яновской Л.А. [1]. Традиционно для иодирования аренов применяют растворы IC1 в органических растворителях, в НС1 или в воде [1,2-29]. В соляной кислоте [2] или органических растворителях хлористый иод является мягким иодирующим реагентом и слабым электрофилом, поэтому используется только для иодирования очень активных в реакциях электро-фильного замещения соединений, таких как ароматические амины и эфиры фенолов (Таблица 1) [3].
Ароматические амины и аминосульфокислоты легко иодируются хлористым иодом в солянокислом растворе [1, 2]. Действуя хлористым иодом на раствор изатина в концентрированной НС1 при 15 С, можно получить 5,7-дииодизатин с выходом 58 %, одновременно образуется до 6 % 4,5,6,7-тетраиодизатипа [1].
В других случаях ІС1 находит ограниченное применение [5], причем иногда происходит не иодирование, а хлорирование [7, 8]. Преобладающий процесс хлорирования над иодированием авторы работ [6-9] объясняют образованием при взаимодействии хлорида иода и электронодонорного ароматического субстрата ион-радикалов и их последующей рекомбинацией в хлор или иодзамещенные продукты. Реакции хлорирования наиболее характерны для полиалкоксибензолов и углеводородов с конденсированными бензольными кольцами, а также в случае стерически затрудненных субстратов. Чем ниже потенциал ионизации (или потенциал полуволны окисления) арена, тем в большей степени он подвержен процессу хлорирования. Значительное влияние на конкурирующий процесс хлорирование - иодирование оказывает растворитель [7] (Таблица 3).
Направление реакции меняется в зависимости от экспериментальных условий. Например, при взаимодействии между хлористым иодом и фенолами в отсутствие растворителя основной реакцией является хлорирование, в растворе - иодирование [1]. Иногда процесс принимает совсем неожиданное направление. Например, при действии избытка хлорида иода на лы силидин образуется 2,2 -диамино-3,3 ,5,5 -тетраметилдифенил [3]. I Легко и гладко идет реакция между хлористым иодом и гидроксибен-зойными кислотами или гидроксибензолсульфокислотами. Для получения 4-иодсалициловой кислоты смешивают холодные уксуснокислые растворы салициловой кислоты и хлористого иода и сразу осаждают иодпроизводное разбавлением водой [1].
Терентьевым и др. показано, что для иодирования фенолов и индола эффективным растворителем является диоксан [25] (Таблица 4). В качестве реакционной среды можно использовать воду. Например, при действии хлористого иода (20 С) на разбавленный водный раствор орсина (3,5-дигидрокситолуол) образуется трииодорсин [26]. В воде при 20 С хлористый иод иодирует пиромеконовую кислоту (3-гидроксипирон) до иодпиромеконо-вой [27]. Бисульфитные производные дегидроиндиго и 4,4 -дихлордегидроиндиго образуют в воде при 5 С тетраиодпроизводные [12, 28].
При иодировании ароматических соединений хлоридом иода в серной кислоте активность IC1 удается успешно регулировать концентрацией кислоты [30]. В серной кислоте невысокой концентрации легко иодируются ал кил-бензолы (100 С, 2-3 ч), эфиры фенолов (25-80 С, 0.5-2 ч) и ариламины (10-80 С, 0.3-1 ч) (Таблица 5). С увеличением концентрации серной кислоты активность хлорида иода повышается. Так в 60-70 % H2SCXi были получены дииод-мезитилен и дииоддурол (Таблица 5), а в 90 % H2SO4 дииодбензол и иодпро-изводные дезактивированных соединений (Таблица 6) [31, 32]. Авторами работ [33, 34] разработан чрезвычайно активный реагент ICl/Ag2S04, способный иодировать дезактивированные арены с двумя электроноакцепторными заместителями при 100-170 С. Менее дезактивированные соединения иодируются при 0-20 С, так нитробензол иодируется при 20 С за 10 минут с выходом 3-нитробензола 74 %.
Метод иодирования IC1 в щелочной или аммиачной среде пригоден для получения 2,4,6-трииодфенола и ряда других л/-замещенных фенолов [35]. При иодировании IC1 в аммиачной среде, вероятно, также как и при иодировании иодом, в качестве промежуточного продукта, предположительно, образуется иодид азота NI3, при работе с которым необходимо применять меры предосторожности. Совершенно безопасным и равноценным является применение IC1 в метанольных растворах метиламина или NaOH [35].
Влияние различных факторов на термодинамику образования ст-комплекса реакции иодирования
Основное влияние на термодинамику образования а-комплекса, как лимитирующей стадии реакции иодирования, оказывают активность иодируемого субстрата, выражаемая его нуклеофильностью, активность действующего реагента, выражаемая его электрофильностью, а также характер растворителя, мерой которого может выступать его полярность, выражаемая значением диэлектрической проницаемости. Тем самым каждая реакция есть взаимозависимость трех факторов: субстрата, реагента и растворителя. В качестве исследуемой характеристики реакции иодирования выступает значение свободной энергии Гиббса образования а-комплекса в зависимости от этих трех факторов.
Найдено, что значения энергии Гиббса реакции иодирования монозамещенных аренов в шря-положение различными иодирующими агентами линейно зависят от характера заместителя в кольце, выраражаемого значением его а пара-константы.
В работе [90] проведены DFT расчеты широкого ряда иодирующих частиц и найдены критерии их электрофильности. В качестве последних выступают заряд на атоме иода, длина связи X-I, индекс Виберга связи X-I и энергия НСМО иодирующей частицы. В качестве меры активности иодирующих агентов нами были впервые рассчитаны значения их индексов глобальной электрофильности, предложенной Парром [100].
Потенциал ионизации, в свою очередь, есть разница в энергии частицы и ее катион-радикала IP = AfH(R-1rf) - Af#(R-H), где AtH(R-H+) энтальпия образования катион-радикала, a Af//(R-H) энтальпия образования самой частицы. В то же время значения потенциалов ионизации, найденные на основании теоремы Купманса достаточно хорошо совпадают с экспериментальными данными.
Расчет энергий ВЗМО и НСМО иодирующих реагентов проводили ограниченным методом Хартри-Фока (RHF) в полноэлектронном валентно-расщепленном базисном наборе 6-31 lG(d), т. к. известно, что метод B3LYP не зависимо от базисного набора занижает значения потенциалов ионизации при близительно на 2 эВ для различных структур, в то время как HF метод дает хорошее согласие с экспериментальными данными. Так в работе [90] значение сродства к электрону (ЕНсмо) Для монохлорида иода найдено - 4.25 эВ методом DFT B3LYP/6-31 lG(d), в то время как экспериментальные значения по разным данным составляют - 1.48 [104], - 1.78 [105] и - 2.41 [106] эВ. В данной работе величина ЕА (IC1) составляет - 0.34 эВ, что несколько ближе к экспериментальным данным. Значения потенциалов ионизации для IC1 и Ь, найденные как 10.62 и 9.82 соответственно отклоняются от экспериментальных значений 10.08 [107] и 9.31 [108] приблизительно на 5%. Значение IP (HOI), составляющее 10.13 также близко к экспериментальному значению 9.81 [109]. Это свидетельствует о корректности применяемого метода. Заряды на атоме иода для всех иодирующих частиц были рассчитаны с использованием двух схем анализа заселенностей: МРА (по Малликену) [110, 111] и NPA (натуральный) [112, 113]. Также были рассчитаны функции Фукуи, которые являются дескрипторами для определения химической активности и региоселек-тивности молекул. Так для атома иода в иодирующих агентах, в зависимости от типа электронного переноса, три вида функций Фукуи могут быть рассчитаны.
Для расчета был выбран широкий ряд электрофильных иодирующих агентов со связями иод - гетероатом, как реально существующих стабильных соединений (І2, ІС1, N-иодимиды: N-иодсахарин (NISAC), N-иодсукцинимид (NIS), 1,3-дииод-5,5-диметилгидантоин (DIH), тетраиодгликолурил (TIG), N-иодбарбитуровая кислота (NIBА), Ы-иод-5,5-диэтилбарбитуровая кислота (N1-VER), N-иодацетамид (NIA), четвертичные аммониевые дихлориодаты), так и гипотетических (алкилгипоиодиты, ацилгипоиодиты), а также частиц типа 1з+Ап , где An - это анионы соответствующих кислот.
Рассчитанные потенциалы ионизации (IP), сродство к электрону (ЕА), значения химических потенциалов (ju), химической жесткости (rf), индексов глобальной электрофильсти (со), а также значения зарядов на атомах иода (q (I)) и локальной электрофильности (т), приведены в таблице 23. В скобках приведены значения соответствующих величин, рассчитанных в воде методом RHF/6-31 lG(d) в рамках модели РСМ.
В общем N-I реагенты за исключением N-иодацетамида несколько более электрофильны чем алкилгипоиодиты, монохлорид иода и HOI и менее электрофильны чем сульфаты иода и замещенные ацилгипоиодиты. Четвер тичные аммониевые дихлориодаты обладают наименьшей электрофильностыо как общей, так и локальной. Более чем двукратное уменьшение локальной электрофильности соединений R4NICI2 по сравнению С IC1 (CDgas(ICl) %is(R4NICl2) в 2.5 - 3.0 раза, UJSO1V.(IC1) cusoiv(R4NICI2) в 1.5 раза) согласуется с ранее найденными расчетными и экспериментальными данными по активности данных реагентов в реакциях электрофильного иодирования аренов [48]. Также хорошо известно, что активность иодирующих агентов повышается с повышением кислотности среды. Так для активации NIS или T1G используют сильные кислоты H2S04 [31], CF3COOH [55], CF3SO3H [60], TsOH [122], а активность монохлорида иода повышается с повышением концентрации серной кислоты [31]. Предполагается перенос иода от иодирующего реагента в раствор сильной кислоты с образованием суперэлектрофильных интерме-диатов иода типа IHSO4, CF3COOI, CF3SO3I, TsOI и др. Значения индексов cogas Osoiv.) IHSO4 1.647 (1.489), CF3SO3I 1.823 (1.627) и FS03I 1.886 (1.652) являются максимальными среди всех иодирующих агентов, что позволяет отнести их к так называемым суперэлектрофильным иодирующим агентам. Сопоставление значений u eas, tuSOiv. для N-галогенсукцинимидов приводит к следующему ряду убывания электрофильности: NIS 0.855 (0.818) NBS 0.663 (0.666) NCS 0.560 (0.508), что согласуется с ранее найденным рядом их электрофиль-ной активности по таким критериям как заряд на атоме галогена, индекс Ви-берга связи N-Hal, ЕНсмо [90]. Рассчитанные значения со в водной среде (є = 78.39) для реагентов RXI изменяются по сравнению с газофазными незначительно (0.3 % - 12.4 %), чаще уменьшаются. Следует отметить, что значения индексов локальной электрофильности дихлориодатов в водной среде увеличиваются почти в 1.6 - 1.8 раза, хотя даже в этом случае они сильно уступают в электрофильности монохлориду иода, индекс со которого уменьшается всего на 0.9 %.
Иодирование ароматических соединений с использованием N-иодацетамида
Данная методика впоследствии оптимизировалась с целью увеличения выхода и улучшения качества продукта. В ходе исследования было замечено, что целесообразнее использовать в роли экстрагента для выделения N-бромацетамида хлороформ, а не бензол, предложенный по методике. Так как в этом случае увеличивается не только выход, но и повышается качество продукта.
Для определения иодирующей возможности N-иодацетамида и иодирования соединений, содержащих дезактивирующие группы, мы также как и в случае с DIH использовали в качестве растворителя серную кислоту (Таблица 42) [125]. NIA растворяли в холодной 90 % серной кислоте (d =1.815 г/см3) и таким образом получали иодирующий реагент. /7-Нитробромбензол (10а) иодировался NIA в два раза быстрее по сравнению с иодированием NIS. Выпадение осадка наблюдалось уже через 0.5 ч после загрузки NIA, а через 1 ч на хроматограмме отсутствовало пятно исходного вещества. Выход 2-иод-4-нитробромбензола (106) составил 63 %. Карбонильные соединения, такие как бензальдегид (6а) и бензил (7а) иодируются сернокислым раствором электрофильного интермедиата иода легко. При иодировании метилбензоата (На) был получен 3-иодметилбензоат (116) с выходом 48 %. Таблица 42. Иодирование аренов, содержащих дезактивирующие группы, реагентом NIA-HiS04 при О С
Субстрат Время реакции, мин Продукт Выход, % Тпл, С Тпл. лит, С Нитробензол (1а) 30 З-Иоднитробензол (16) 75 34-35 35-36 о-Нитротолуол (За) 60 4-Иод-2-нитротолуол (36) 40 53-54 56-57 Бензойная кислота (4а) 60 З-Иодбензойная кислота (46) 88 179-180 185-187 4-Фторбензойная кислота (5а) 90 З-Иод-4-фторбензойная кислота(56) 78 199-201 202-203 Бензальдегид (6а) 30 З-Иодбензальдегид (66) 65 33-35 34-37 Бензил(7а) 30 3,3-Дииодбензил (76) 80 112-115 128-129 Иодбензол(9а) 30 Дииодбензол (96) 62 128-129 130-131 4-Нитробромбензол (10а) 60 2-Иод-4-нитробром-бензол (106) 63 92-94 98-99 Метилбензоат (11а) 60 З-Иодметилбензоат (Пб) 48 53-54 54-55 4-Нитроиодбензол (12а) 240 1,2-Дииод-4-нитробензол (126) 75 110-111 112,5-113 Бензофенон (13а) 30 3,3 -Дииодбензофенон (136) 63 232-233 234-235 Флуоренон(14а) 60 2,7-Дииодфлуоренон (146) 67 202-203 205-206 Независимо от строения медленно при 0 С иодируются ароматические карбоновые кислоты. Еще дольше иодировался /7-иоднитробензол (12а). Но 1,2-дииод-4-нитробензол (126) был получен хорошего качества с выходом 75%.
Из смеси изомерных продуктов, полученных при иодировании о-нитротолуола (За) с общим выходом 74%, перекристаллизацией из этанола был препаративно выделен с выходом 40% 2-нитро-4-иодтолуол (36). Аналитическое содержание продукта (36) и 2-нитро-6-иодтолуола (Зв) смеси составило соответственно 77 % и 23 %. При иодировании а-нитронафталина с помощью данного реагента получить иодированный продукт не удалось. После 3 часов проведения синтеза в реакционной массе присутствовал непрореагировавший а-нитронафталин. После того как реакционную массу вылили в воду, осадок не выпадал, а наблюдалось выделение иода (NIA разлагается в воде на иод и ацетамид).
Нами найдено, что во всех синтезах, проводимых в 90 % серной кислоте, в отличие от иодирования в органических растворителях, для полной конверсии ароматического субстрата необходим двукратный мольный избыток NIA или DIH по сравнению с расчетным. Системой NIA-CH3COOH-H2SO4 также был проиодирован ряд ароматических соединений с электронодонорными заместителями (Таблица 43). Для иодирования данных соединений не приемлема сильнокислая среда. Поэтому синтез вели в нейтральных растворителях, регулируя активность среды повышением ее кислотности.
Эффективность применения N-иодацетамида для иодирования ароматических соединений с электронодонорными группами была исследована на примере иодирования 1,2,4,5-тетраметилбензола (дурола) (15а) Для оптимизации процесса синтез вели в различных органических растворителях. В качестве катализатора в реакционную среду вводилась серная кислота в количестве I мл на 4 ммоля N-иодацетамида.
Моноиоддурол (156) лучшего качества и выходом 84% был синтезирован при использовании в качестве растворителя уксусной кислоты. Значительно меньшие выходы получены при проведении реакции в среде диоксана и метанола и совсем не эффективным оказалось использование ТГФ, диэтилового эфира и четыреххлористого углерода. При применении в качестве органического растворителя ацетона реакция протекала за 20 минут, при этом наблюдалось образование желтоватого осадка только после добавления воды в реакционную массу. Технический моноиоддурол (156) при этом получался с хорошим выходом, но с низкой температурой плавления по сравнению с другими образцами. Было замечено, что ацетон может сам взаимодействовать с NIA с образованием слезоточивого а-иодацетоиа.
Дезиодирование иодаренов под действием галогеноводород-ных кислот
В литературных источниках приводятся противоречивые сведения по поведению ароматических иодпроизводных в растворах кислот. О невозможности протекания процесса в обратном направлении (2), то есть иодирования анилина, бензола и нитробензола молекулярным иодом, говорят большие активационные барьеры и положительные значения свободной энергии AG обратной реакции для всех трех аренов (Табл. 51). При взаимодействии иодароматических соединений 9а, 12а, 23а с хлористоводородной, ортофосфорной и серной кислотами более вероятным становится протекание обратной реакции (2) и менее вероятным дезиодирование иодарена.
Для экспериментального подтверждения полученных результатов нами было исследовано поведение соединений 9а, 12а, 23а в уксуснокислых растворах иодистоводородной (57.5 %, 1.717 кг/м3), хлористоводородной (34 %, 1.7 г/см3), ортофосфорной (84 %, 1.834 г/см3) и серной (95 %, 1.835 г/см3) кислот. NH2Н N02 I-OS03H I-OS03H I-OS03H 415.86 514.96 598.32 417.68 514.93 597.42 - 105.96-105.64- 101.76 Все протонные кислоты использовались с двукратным мольным избытком. Температура реакции, время и растворитель были выбраны для максимального приближения условий процесса к условиям реакции иодирования, которую чаще всего проводят в уксусной кислоте, в интервале температур 25-120 С. Реакционную массу кипятили с обратным холодильником в течение 5 часов.
Хромато-масс-спектрометрический (ГХ-МС) анализ продуктов взаимодействия иодаренов с иодистоводородной кислотой показал, что из трех исследуемых соединений значительному дезиодированию подвергся только 4-иоданилин 23а. По результатам ГХ-МС конверсия субстрата 23а составила 84.03 %. Главными продуктами реакции оказались анилин (78 %) и ацетанилид (6.03 %) (Табл. 52).
При нагревании ариламина 23а с НС1 или Н3Р04 дезиодирование происходило в значительно меньшей степени. В смеси продуктов, по данным препаративной тонкослойной хроматографии, помимо исходного вещества 23а (68-71 %) был обнаружен анилин (236) (10-12 %) и ацетанилид (21а) (17-19 %), а в присутствии H2S04 кроме указанных продуктов из реакционной смеси препаративно была выделена сульфаниловая кислота с выходом до 35 %.
Мы предполагаем, что в нитроарене 12а первоначально восстанавливалась нитрогруппа, а уже затем происходило дезиодирование образовавшегося ариламина 23а. При замене иодистоводородной кислоты на хлористоводородную, серную или ортофосфорную, дезиодирование субстрата 12а не фиксировалось. Аннелированный полициклический углеводород - антрацен (24а), несмотря на его высокую реакционную способность в реакциях электрофильно-го замещения, образует 9-иодантрацен (246) с большим трудом. Действием хлорида иода антрацен не иодируется, но хлорируется, а при действии реагентов гипоиодитного характера преимущественно образует антрахинон.
Все расчеты были проведены с использованием пакета программ GAUSSIAN 98W (revision А7) [130]. Расчеты в главе 2.1. проводились ограниченным методом Хартри-Фока (RHF) [131]. Для полуэмпирических расчетов использовался метод РМЗ [132]. Расчеты ab initio проводили в валентно-расщепленном базисе 3-21G(d,p) [133], учитывающим все электроны, с добавлением поляризационных функций. Для расчетов по методу функционала плотности был выбран гибридный метод B3LYP с обменным функционалом Беке (ВЗ) [134] и корреляционным функционалом Ли, Янга и Парра (LYP) [135] с псевдопотенциальным базисом LanL2DZ (5D, 7F), применимым для расчета структур, содержащих атомы иода [136]. Полная оптимизация геометрии проведена для всех структур с улучшенным критерием сходимости (tight) самосогласованного поля с использованием схемы Берни. При отсутствии сходимости использовали квадратичный (QC) алгоритм [137]. Отсутствие мнимых частот колебаний подтвердило стационарный характер полученных структур. Для предсказания сольватационных характеристик в растворе использовали метод B3LYP/LanL2DZ в рамках модели поляризованного континуума (РСМ, модель Томази) [138]. Все термохимические расчеты в главе 2.2. были проведены гибридным методом теории функционала плотности DFT B3LYP в полноэлектронном валентно-расщепленном базисе 6-31 lG(d). Для атома иода использовали релятивистский потенциал, включающий 46 остов-ных электронов и базисный набор 6-311 G(d) для валентных электронов [139]. Для расчетов с учетом влияния растворителя применяли тот же метод и базисный набор в рамках модели РСМ (модель поляризованного континуума, модель Томази). Энергии рассчитанных соединений скорректированы с учетом нулевой колебательной энергии (ZPVE) и приведены к стандартным ус ловиям (298,15 К, 1 атм.) с использованием термической поправки к энтальпии и свободной энергии.
Контроль за ходом реакции и чистотой полученных продуктов осуществляли методом ТСХ на пластинках Silufol UV-254; элюирующая система указана в тексте. Детектирование пятен производили под УФ-светом. Спектры ЯМР Н регистрировали на приборе Bruker АС- 300 (200 МГц), внутренний стандарт - ГМДС. Химические сдвиги приведены относительно ТМС. Спектры УФ и в видимой области регистрировали на приборе Uvikon-435 (толщина кюветы - 10 мм). Температуры плавления определяли на микронагревательном столике Boetius. Иодируемые субстраты имели квалификацию «х.ч.». Серную кислоту, иод, бром и соли применяли квалификации «ч.д.а.» без дальнейшей очистки.
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. NIA и DIH пролунали по методикам [124, 63].
Иодирование дезактивированных ароматических соединений (1а-9а) реагентом на основе DIH. Общая методика. К 5 ммоль (1.9 г) DIH приливали 15 мл предварительно охлажденной до 0-3 С 90 % (d = 1.825 г/см3) H2SO4 и далее смесь перемешивали при комнатной температуре 15-20 мин до его полного растворения.
Для введения одного атома иода в молекулу ароматического субстрата к полученному темно-коричневому раствору прибавляли 5 ммоль арена и смесь интенсивно перемешивали 20-120 мин. Для введения двух атомов иода количество субстрата уменьшали в два раза. Контроль за ходом реакции по ТСХ, элюент для нитросоединений (1а-3а) - ССЬЬ карбоновых кислот (4а, 5а) - гек-сан-уксусная кислота 10:1, соединений (6а-9а) - бензол. После окончания процесса реакционную массу выливали в 100 мл воды со льдом, промывали раствором Na2S03. Продукты реакции (16-36) экстрагировали СН2СІ2, экстракт отделяли, сушили над СаСЬ, растворитель отгоняли. Вещества (46, 56) отфильтровывали, сушили и при необходимости перекристаллизовывали из соответствующего растворителя (табл. 2). Соединение (86) растворяли в бензоле, фильтровали через слой Si02, растворитель отгоняли. Выходы, температуры плавления, растворитель для перекристаллизации, время реакции приведены в табл. 2.
Пример: З-Иоднитробензол (16). К 5 ммоль (1.9 г) DIH прибавляли 15 мл предварительно охлажденной до 0-5 С 90%-ной H2S04 и перемешивали при комнатной температуре 20-30 мин до полного его растворения. Раствор охлаждали до 0 С, прибавляли 5 ммоль (0.62 г) нитробензола (1а) при 0С реакционную массу перемешивали еще 60 мин. Затем выливали в 50 мл воды со льдом и промывали водным раствором Na2S03- Продукт реакции экстрагировали СН2С12, экстракт сушили СаС12, растворитель отгоняли, продукт реакции перекристаллизовывали из этанола. Выход 0.93 г (75%). Аналогично проводили иодирование субстрата (1а) при 20С. Выход соединения (16) 0.96 г (77%).
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 N1А и получения гомогенного раствора темно-коричневого цвета.
