Ацилиодиды в органическом и элементоорганическом синтезе

В 1958 году Воронков и Худобин [1] нашли, что триалкилиодсиланы легко расщепляют группировки С-О-С, C-O-Si, Si-0-Si. Основываясь на этом, 17 лет спустя Воронков и Дубинская впервые ввели МезБП в органический синтез [2−6]. Это привлекло внимание многих исследователей, и уже вскоре появилось несколько обзоров, освещающих возможность применения триметилиодсилана как иодирующего, деоксигенирующего и триметилсилилирующего агента в органическом и элементоорганическом синтезе [6−10].

Мы задались целью найти эквивалентные или даже альтернативные триметилиодсилану более доступные органические реагенты, открывающие новые возможности, в органическом и элементоорганическом синтезе. В качестве таковых были избраны ацилиодиды RCOI в частности их простейшие представители с R=Me, Ph. По сравнению с хорошо изученными ацилгалогенидами RCOX. (X=F, CI, Вг) ацилиодиды являются малоисследованными соединениями, что по-видимому объясняется их недостаточной стабильностью. За последние 170 лет (с момента синтеза первого соединения этого класса — бензоилиодида) всего около пятидесяти публикаций, относящихся к ацилиодидам. Так, например, в фундаментальном томе, специально посвященном ацилгалогенидам [11], цитируется лишь несколько статей, касающихся ацилиодидов. В отличие от низших ацилгалогенидов RCOX (X = CI, F, Вг) ацилиодиды (X = I) обладают высокой и специфической реакционной способностью благодаря наличию высокополярной связи C-I, легко уходящего аниона иода, повышенной электрофильности карбонильного атома углерода, а также способностью легко распадаться на свободные радикалы при УФ облучении или термически при ~300°С. Все это указывает на перспективность их использования в качестве иодирующих, ацилирующих и деоксигенирующих реагентов и синтонов в органическом и элементоорганическом синтезе.

Поэтому исследование их свойств и превращений весьма актуально и привлекательно. Это и побудило нас начать систематические исследования реакций ацилиодидов с различными классами органических и элементоорганических соединений и возможностей их использования в синтетической практике.

Таким образом целью наших исследований явилось изучение реакционной способности ацилиодидов и направления их реакций с кислородсодержащими органическими соединениями (спирты, насыщенные ациклические и циклические эфиры, органилвиниловые эфиры, карбоновые кислоты и их эфиры), а также с некоторыми классами органических производных элементов 14 группы (Si, Ge, Sn).

Научная новизна. В результате проведенных исследований установлено, что по своей реакционной способности ацилиодиды напоминают триметилиодсилан и обладают свойствами, существенно отличающими их от остальных ацилгалогенидов RCOX (Х=С1, F, Вг). В частности обнаружены реакции, в которые ацилхлориды не вступают или реагируют лишь в присутствии катализаторов. Взаимодействие RCOI со спиртами в зависимости от их кислотности может протекать в двух направлениях с образованием соответствующих органилиодидов или сложных эфиров. В очень мягких условиях при отсутствии катализаторов RCOI легко расщепляют насыщенные эфиры. Примечательно, что в винилалкиловых эфирах они разрывают связь O-Csp. В отсутствии каких-либо катализаторов ацилиодиды расщепляют связь О-С в карбоновых кислотах и их эфирах.

Направление реакции ацилиодидов с аминокислотами определяется кислотностью последних. По отношению к глицину (рКа 2.4) ацилиодиды выступают в основном как ацилирующие агенты. Так, в частности, в качестве конечного продукта взаимодействия глицина с ацетапиодидом был получен гидроиодид ацетуровой кислоты. В то же время единственным направлением реакции ацетилиодида с у-аминомасляной кислотой (рКа 4.06) является обменный процесс иодирования с образованием ацетата у-бутирилиодида.

Столь же. легко RCOI (R=Me, Ph) расщепляют группировку Si-0-Si в линейных и циклических олигосилоксанах. Они также разрывают связь Ge-Csp и Sn-Csp в триалкилэтинильных производных германия и олова R’C=CMR" 3 и R" 3C=CMR" 3, где R'=H, PhR" =Me, EtM=Ge, Sn с образованием соответствующих триалкилиодгерманов истаннанов R" MI (M=Ge, Sn) и ацетиленовых кетонов RCOOCR' RCOOCCOR. По отношению к триорганилсиланам и германам — R3'MH, где R-Et, PhM=Si, Ge ацилиодиды выступают как иодирующие реагенты.

Практическая ценность наших исследований заключается в разработке ряда новых методов синтеза некоторых классов органических и элементоорганических соединений. Взаимодействие ацилиодидов с оксоциклоалканами стала простейшим методом синтеза иодалкиловых эфиров карбоновых кислот. Очень удобно получать винилиодид взаимодействием с легкодоступными винилалкиловыми эфирами.

Обменная реакция ацетилиодида с карбоновыми кислотами рекомендована как простейший препаративный метод синтеза иодангидридов непосредственно из самих кислот.

Взаимодействие ацилиодидов со сложными эфирами карбоновых кислот позволяет легко превращать их в соответствующие ангидриды и алкилиодиды.

Реакция ацетилиодида с аминокислотами явилась новым способом получения ацетуровой кислоты и лактамов.

Не лишено интереса использование ацилиодидов для синтеза триалкилиодстаннанов или германов, а также линейных олигосилоксанов с ацетоксильными заместителями у атома кремния. Реакция RCOI с трифенилгерманом оказалась удобным методом синтеза трифенилиодгермана.

Апробация работы и публикации. По результатам исследования опубликовано 1 обзорная статья, 7 статей в Журнале органической химии, тезисы 3 докладов на Всероссийских конференциях. Полученные данные представлялись на Молодежной научной конференции по органической химии «Байкальские чтения-2000» (Иркутск, 2000 г.), Молодежной научной школе-конференции «Актуальные проблемы органической химии» (Новосибирск, 2001 г.), Всероссийском симпозиуме «Химия органических соединений кремния и серы» (Иркутск, 2001 г.).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 105 стр. машинописного текста, состоит из введения, 3 глав, выводов и списка цитируемой литературы (129 наименований).

выводы.

Систематически исследованы реакции ацилиодидов с некоторыми классами органических и элементоорганических соединений. При этом установлено, что в отличие от ацилгалогенидов RCOX (X=F, CI, Вг) многие реакции ацилиодидов (Х=1) протекают в мягких условиях в отсутствие каких-либо катализаторов. При этом они функционируют как иодирующие, ацилирующие и деоксигенирующие агенты и могут быть использованы в органическом и элементоорганическом синтезе.

Ацилиодиды со спиртами реагируют и как иодирующие, и как ацилирующие агенты. Направление реакции определяется кислотностью спирта. Взаимодействие ацилиодидов со спиртами с низкой кислотностью (рКа 15.119.0 и более) приводит к нуклеофильному замещению гидроксильной группы на атом иода. В случае же фенола (рКа 9.0), 2-хлорэтанола (рКа 11.2), а также частично метанола (рКа 15.1) и этанола (рКа 15.9) наблюдается образование сложных эфиров. Процесс ацилирования этих спиртов облегчен повышенной полярностью в них связи О-Н.

В отличие от ацилхлоридов взаимодействие ацетилиодида с монокарбоновыми кислотами (трифтори трихлоруксусная, масляная, изо-масляная, акриловая, бензойная) протекает исключительно как обменный процесс с образованием новых ацилиодидов. Наиболее легко в обмен вступают слабые кислоты, константы диссоциации которых лежит в пределах Ю^-Ю" 6. Более сильные кислоты, такие как трифтори трихлоруксусная кислота, вовлекаются в этот процесс труднее.

Аминокислоты — глицин, Р-аланин и у-аминомасляная кислота реагируют с ацилиодидами с участием обеих функциональных групп — H2N и СООН. Превалирование того или иного направления реакции определяется главным образом кислотностью аминокислоты. С ее уменьшением обменный процесс иодирования с участием группыСООН начинает превалировать над процессом N-ацилирования. Так, для глицина (рКа 2.4) основное направление его взаимодействия — процесс N-ацилирования, а для у-аминомасляной кислоты (рКа 4.1) единственное направление реакции — обменный процесс иодирования.

5. По своей реакционной способности по отношению к ациклическими и циклическими эфирам (Et20, МеСН2СН2(0), С1СН2СН2СН2(0), ТГФ, 0(CH2CH2)20, EtOCH2CH2OH, EtOCH=CH2), ацилиодиды RCOI (R=Me, Ph) подобны триметилиодсилану Me3SiI. Они расщепляют одну, либо обе связи СО в группировке С-О-С с образованием иодсодержащих сложных эфиров, или индивидуальных органилиодидов и сложных эфиров.

6. При взаимодействии ацетилиодида с виниловыми эфирами этанола, бутанола, 1,2-этандиола, гидрохинона, дивиниловым эфиром и винилацетатом наряду с разрывом связи O-Csp наблюдается необычное расщепление связи O-Csp с образованием винилиодида. В 1-винилоксибензоле и 1,4-дивинилоксибензоле ацетилиодидом расщепляется лишь связь ОCsp, связь О-Аг в реакцию не вовлекается.

7. Реакции ацилиодидов RCOI (R=Me, Ph) со сложными эфирами однои двухосновных насыщенных, непредельных и ароматических карбоновых кислот (уксусная, акриловая, бензойная, щавелевая, малоновая, адипиновая, фумаровая, фталевая) протекают с разрывом эфирной связи О-R' и образованием соответствующих алкилиодидов и ангидридов. Этиловые эфиры трифтори трихлоруксусной кислоты, в которых нуклеофильность карбонильного атома кислорода понижена, с ацилиодидами в изученных условиях не реагируют.

8. Ацилиодиды RCOI (R=Me, Ph) реагируют с триалкилэтинильными производными германия и олова R’C=CMR" 3 и R" 3MC=CMR" 3, где R' = Н, PhR" = Me, EtM=Ge, Sn с расщеплением связи M-Gs/? и образованием триапкилиодгерманов, -станнанов R'^MI (M=Ge, Sn) и ацетиленовых кетонов RCOC=CR', RCOC^CCOR. В отличие от этого взаимодействие ацетилиодида с триметил (этинил)силаном сопровождается лишь незначительным иодированием этинильной группы с образованием небольшого количества 1,293 дииодвинил (триметил)силана. Бис (триметилсилил)этин в реакцию с ацетилиодидом вовлечь не удалось. Наблюдаемое изменение реакционной способности обусловлено как понижением полярности связи М-Сsp в ряду Sn>Ge"Si, так и усилением резонансного взаимодействия этинильной группы с атомом М в указанном порядке.

9. Ацилйодиды RCOI (R=Me, Ph) легко и экзотермично расщепляют связь Si-О в алкил (алкокси)силанах R4. nSi (OR')n, с R, R'= Me, Etп=1−4 с образованием олигои полисилоксанов. Промежуточными продуктами этой реакции являются алкил (алкокси)иодсиланы. В отличие от этого взаимодействие ацилиодидов RCOI (R=Me, Ph) с 1-этоксисилатраном (EtO)Si (OCH2CH2)3N осуществляется с разрывом связи С-0 в этокси-группе и является удобным методом синтеза 1-ацилоксисилатранов RCOOSi (OCH2CH2)3N.

10. Расщепление ацетилиодидом группировки Si-0-Si в ациклических и циклических олигосилоксанах протекает в отличие от алкоксисиланов лишь при нагревании и приводит к ацетоксизамещенным силанам и олигосилоксанам.

Взаимодействие ацилиодидов RCOI (R=Me, Ph) с триэтилсиланом, осуществляемое без растворителя, сопровождается рядом побочных процессов, приводящих в конечном итоге к соответствующим альдегидам, гексаэтилдисилоксану и триэтил (ацилокси)силанам Et3(RCOO)Si. В отличие от этого проводимая в аналогичных условиях реакция ацилиодидов с трифенилгерманом приводит исключительно к трифенилиодгерману с выходом 91−98%.

Заключение

.

Анализ литературных данных свидетельствует, что достаточно полно освещены лишь методы синтеза простейших ацилиодидов RCOI (R=Me, Ph). Данные о физико-химических свойствах этих ацилиодиов в целом дают представление об особенностях их электронного строения. Они свидетельствуют о повышенной ионности связи C-I, а также о возможности реализации резонансной структуры ацилиодидов, в которой эта связь носит кратный характер. Причем при переходе от одной структуры к другой заряд на атоме иода может меняться на противоположный. Однако эти представления об электронном строении RCOI равно как и особенности их фотолитического распада никоим образом не привлекались при обсуждении их реакционной способности. Сведения о механизме их взаимодействия с исследованными органическими соединениями практически отсутствуют, либо носят предположительный характер. В некоторых случаях описанные схемы их реакций явно ошибочны. Данные об их реакционной способности вообще весьма ограничены. Ацилиодиды в отличие от ацилхлоридов практически не вовлекались в реакции со многими органическими соединениями (например, спирты, карбонильные соединения, ароматические и гетероароматические соединения и т. д.). Ничего неизвестно об их взаимодействии с органическими производными элементов подгруппы кремния. Ограниченность этих сведений не позволяет определить перспективность использования вышеуказанных ацилиодидов в качестве иодирующих, ацилирующих или деоксигенирующих агентов по отношению к определенным классам органических и элементоорганических соединений.

ГЛАВА 2.

АЦИЛИОДИДЫ В ОРГАНИЧЕСКОМ И ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ.

Обсуждение полученных экспериментальных данных).

Настоящая диссертационная работа является началом систематических исследований простейших ацилиодидов RCOI (R=Me, Ph) как высокоэффективных и специфических и, в то же время, дешевых и доступных реагентов и синтонов в органическом и элементоорганическом синтезе. В этой главе обсуждается полученные нами результаты изучения взаимодействия ацилиодидов с ранее неисследованными или малоисследованными классами органических (спирты, циклические и виниловые эфиры, карбоновые кислоты и их эфиры, аминокислоты) и элементоорганических (триалкилэтинильные производные кремния, германия, олова, кремнийорганические соединения, содержащие группировки Si-O-C, Si-0-Si) соединений. Полученные данные свидетельствуют о перспективности направленного использования ацилиодидов в качестве иодирующих, ацилирующих или деоксигенирующих агентов. Применение их открывает новые возможности в органическом и элементоорганическом синтезе получения ранее неизвестных или труднодоступных веществ, а также изысканий на их основе новых типов реакций.

2.1. Реакция со спиртами.

Давно установлено, что ацилхлориды RCOC1 реагируют со спиртами с образованием соответствующих сложных эфиров [51,71].

RCOCl + R’OH -> RC (0)0R' (П.1).

Взаимодействие триметилиодсилана со спиртами напротив приводит к соответствующим гидрокарбилиодидам [72]. кон ¦ (снзьза ^ (сн.ьзюн ^.

— ½ (CH3)3SiOSi (CH3)3.

В 1857 году Кагур сообщил [20], что при взаимодействии ацетилиодида с этанолом образуется этилацетат. В дальнейшем реакция ацилиодидов со спиртами не изучалась. Начиная свои исследования, мы изучили реакции ацилиодидов с алифатическими спиртами R’OH [R'=CH3nCH3n, n=0 (I) 1 (И), 2 (П1), 3 (IV) — СН2=СН-СН2 (V) — НС=С-СН2 (VI) — С1СН2СН2 (VII)] и фенолом (VIII). В отличие от ацилхлоридов ацилиодиды RCOI реагируют с алифатическими спиртами R’OH подобно триметилиодсилану с образованием соответствующих гидрокарбилиодидов.

RCOI + R’OHR’l + RC (О)ОН.

II.3).

R = СН3, С6Н5- R' = /-С3Н7, /-С4Н9, СН2=СНСН2, НСЕССН.

При мольном соотношении реагентов 1:1 и 60−100°С эта реакция завершается за 1,5 — 2 часа. Избыток ацилиодида не изменяет выход гидрокарбилиодидов, который составляет 30−90%. В отличие от вышеназванных спиртов 2-хлорэтанол и фенол реагируют с ацилиодидами аналогично соответствующим ацилхлоридам с образованием сложных эфиров (схема II.4).

RCOI + R’OH —RC (0)0R'.

П.4).

R = СН3, СбН5- R' = С6Н5, С1СН2СН2-Взаимодействие метанола и этанола с RCOI при соотношении реагентов 1:1 одновременно протекает в обоих направлениях.

С R’l + RC (0)0H.

II.5).

RC (0)0R' + HI.

R' = CH3, C2H5.

При использовании избытка ацилиодида содержание в смеси R’l увеличивается, a RCOOR' соответственно снижается. Так, например, при реакции CH3COI с СН3ОН в соотношении 1:1 выходы СН31 и СН3С (0)0СН3 составляют 49 и 51% соответственно, а при 1:2−63 и 36% соответственно. Направление реакции по. уравнению (II.4) по-видимому обусловлено повышенной кислотностью 2-хлорэтанола и фенола и в некоторой степени метанола и этанола. Константы кислотности (рКа) спиртов R’OH для R'= С6Н5, С1СН2СН2, СН3, С2Н5 соответственно равны 9.9, 11.2, 15.1, 15.9. В отличие от этого константы кислотности изо-пропанола и трет.-бутанола равны 18.0 и 19:0.

Различие кислотности спиртов, вероятно, определяет механизм их взаимодействия с ацилиодидами. Можно предположить, что наблюдаемое нуклеофильное замещение в случае спиртов с низкой кислотностью (изо-пропанол, трет-бутанол, аллиловый и пропаргиловый спирты, а также, частично, метанол и этанол) протекает через промежуточное образование оксониевого комплекса (схема II.6).

RCOI + R’OH г R-C=01 I.

R'-O-H.

1 —>- R’l + RC (0)0H (И.6).

Образование же сложных эфиров может, очевидно, происходить через промежуточное четырехцентровое состояние, формирование которого в случае 2-хлорэтанола, фенола, а также частично метанола и этанола облегчено в результате повышенной полярности в них связи О-Н и легкости образования водородной связи с нуклеофильным атомом иода .

RCOI + R’OH —>• R—С—I —> RC (0)0R' + Ш (П.7).

X s.

R'—б—H.

Воронков и Шагун [73] путем квантовохимического моделирования (B3YP/LANL2DZ) изучили взаимодействие ацетилиодида и ацетилхлорида с метанолом. Расчеты подтверждают двойственный характер реакции ацетилиодида с метанолом. Это связано с близкими по величине активационными параметрами четырехцентрового механизма реакции, приводящего к образованию иодистого водорода и S^ механизма. По термодинамической стабильности расчеты предсказывают более высокую стабильность продуктов Sjv — реакции. При взаимодействии ацетилхлорида с метанолом энергия активации четырехцентрового механизма имеет существенно более низкое значение чем энергия активации Sm механизма (81 и 178 кДж/моль соответственно). В результате реакция полностью сдвинута в сторону образования хлористого водорода. Такое различие в энергии активации Бдг механизмов в зависимости от характера галогена связано с лимитирующей стадией процесса — образованием галогена. Различие в энергиях диссоциации связи C-I и С-С1 имеет тот же порядок.

2.2. Взаимодействие с карболовыми кислотами.

Как известно [51] реакция алифатических ацилхлоридов с карбоновыми кислотами как в отсутствии, так и в присутствии катализаторов приводит к соответствующим ангидридам (схема II.8).

RCOC1 + НО С OR' —RCOOCOR' (П.8).

— НС1.

Обменная реакция алифатических ацилхлоридов с карбоновыми кислотами встречается редко. Однако, именно так реагирует с карбоновыми кислотами оксалилхлорид, что может использоваться как метод синтеза ацилхлоридов (схема II.9).

С1С (0)С (0)С1 + 2R'COOH —>- 2R'COCl + Н0С (0)С (0)0Н (П.9).

Сведения о взаимодействии ацилиодидов с карбоновыми кислотами до настоящего времени отсутствовали. На примере ацетилиодида нами впервые установлено, что в отличие от ацилхлоридов реакция ацилиодидов с монокарбоновыми кислотами (трифтори трихлоруксусная, масляная, изо-масляная, акриловая, бензойная) протекает исключительно как обменный процесс по общей схеме (11.10) [74].

RCOOH + 1СОСН3 —> RCOI + НООССН3 (П.10).

R= С3Н7 (IX), iС3Н7 (X), СН2=СН (XI), С6Н5 (ХП), F3C (ХШ), С13С (XIV).

Ацетилиодид реагирует с этими кислотами в отсутствии растворителя и акцептора Ш. Практически во всех случаях за исключением трифтори трихлоруксусной кислоты процесс сопровождается экзотермическим эффектом, особенно сильным в случае акриловой кислоты.

Реакция ацетилиодида с высшими алканкарбоновыми кислотами (IX, X) и акриловой кислотой (XI) практически необратима из-за большей реакционной способности исходного ацетилиодида по сравнению с образующимися высшими ацилиодидами. Реакция ацетилиодида с бензойной кислотой обратима и приводит к смеси исходных реагентов, уксусной кислоты и бензоилиодида. Обратимый характер имеет и взаимодействие ацетилиодида с трифтори трихлоруксусной кислотой. При этом равновесие удается сместить, удаляя из реакционной смеси ниже кипящий продукт реакции (в первом случае — F3CCOI, а во втором — СНзСООН).

Взаимодействие ацетилиодида со щавелевой кислотой (V) приводит к образованию уксусной кислоты, монооксида углерода и иода, что свидетельствует о протекании обменного процесса. Вероятный интермедиат этой реакции — оксалилдииодид, крайне неустойчив и сразу распадается по нижеприведенной схеме. соон)2 + 21COCH3 —>- [(соад —> 2 со + i2 (П.И).

— 2Ш3ОТОН.

Несколько по иному реагирует с ацетилиодидом о-фталевая кислота. Продуктами этой реакции являются фталевый ангидрид, уксусная кислота и Ш. Т. е. протекает обменный процесс, в котором принимает участие лишь одна карбоксильная группа. При этом первоначально образуется фталоилмоноиодид, дальнейшее внутримолекулярное дегидроиодирование которого и приводит к фталевому ангидриду по схеме (11.12).

0соонН ©-с>

Сопоставление констант диссоциации исследованных кислот (табл. 2.1) свидетельствует, что наиболее легко реагируют с ацетилиодидом слабые кислоты с рКа в пределах 4−5 (см. табл. 2.1). Более сильные кислоты (трифтори трихлоруксусная) реагируют с CH3COI медленнее. Это вызвано значительным электронно-акцепторным эффектом группы СХ3 (Х=С1, F), повышающим кислотность СХ3СООН и понижающим нуклеофильность группы С=0. В соответствии с этим значения v (C=0) в ИК спектрах RCOOH R= СН3, CI3C, F3C соответственно равны 1760 см" 1, 1780 см" 1, 1800 см" 1 что указывает на повышение порядка связи С=0 и понижение электрофильности карбонильного атома углерода. Большим различием значений рК и рКг о-фталевой кислоты (2,95' и 5,41 соответственно), очевидно и объясняется своеобразие ее реакции с ацетилиодидом, обусловленное разной скоростью его взаимодействия с карбоксильными группами. Это указывает, что скорость реакции внутримолекулярного дегидроиодирования лабильного интермедиата фталоилмоноиодида значительно превышает скорость образования фталоилдииодида.

В разделе 2.1 показано, что реакция ацилиодидов со спиртами ROH, обладающими повышенной кислотностью (с рКа<�И) (схема II.4) протекает с выделением Ш, в отличие от этого их взаимодействие со спиртами с рК&- >18 (схема II.3) приводит к образованию соответствующего органилиодида RI [73,75,76]. Поэтому по аналогии с низкокислотными спиртами можно предположить, что механизм реакции ацетилиодида с карбоновыми кислотами включает стадию промежуточного образования ацилоксонийиодида с последующим его S^ превращением по схеме:

0 0 Q.

1С0СН3 + RCOOH ^ [RC-0(H>C-CH3] I" ^ RC-I + Н0С (0)СН3 (П. 13).

Не исключено также, что интермедиатом этой реакции является четырехчленный активированный комплекс (схема II. 14). О.

II.

ICOCH3 + RCOOH —>¦ R-C-OH —> СН3СООН + RCOI (П. 14) н.

Iс-сн3 II о.

Выходы ацилиодидов, образующихся при взаимодействии монокарбоновых кислот с ацетилиодидом, их физические константы (т. кип., nD20) и данные анализа приведены в таблице. Физические константы полученных ацилиодидов соответствуют приведенным в литературе данным. А их хроматографические пики — стандартам. Акрилоилиодид ранее был неизвестен.