Получение 15-бром-16-метил-1,13-дитиабензо-15-краун-5-эфира

 

Московский  государственный университет им. М.В. Ломоносова

Химический  факультет

 

Кафедра Химии нефти и органического катализа

 

СИНТЕЗ 15-БРОМ-16-МЕТИЛ-1,13-ДИТИАБЕНЗО-15-КРАУН-5-ЭФИРА

 

Курсовая работа

по органической химии

студента 303 группы

Мовсесяна Александра

Камоевича

 

Научный руководитель:

канд. хим. наук, с. н. с.

Рахманов Эдуард Васильевич

 

Преподаватель группы:

канд. хим. наук, доцент

Подругина Татьяна Александровна

 

 

 

Москва 2013

Содержание

 

1. Введение…………………………………………………………………………….3                                                                                                                          

2. Обзор литературы…………………………………………………….…...……....4

2.1. Синтез незамещенных оксатиакраун-эфиров ………………………..…...4

2.2. Синтез бензо- и циклогексана оксатиакраун-эфиров………………...…..7

3. Обсуждение результатов…………………………………………………………11

4. Экспериментальная часть……………………………………………...……….13

5. Выводы……………………………………………………………………………..15

6. Список литературы……………………………………………………………….16

7. Приложение………………………………………………………………………...19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

Химия макроциклических соединений интенсивно развивается  благодаря не только фундаментальному интересу, но и возможному практическому  применению макроциклов в органическом синтезе, биологии, медицине и промышленности [1-5]. Среди соединений этого класса большой интерес вызывают макрогетероциклические соединения (краун-соединения, криптанды, катенаны, ротаксаны, циклофаны), содержащие в своем составе атомы серы и кислорода. Пристальное внимание к этим макрогетероциклам объясняется  их способностью к образованию прочных комплексов с катионами переходных и тяжелых металлов. Такие соединения могут представлять значительный интерес в качестве селективных комплексообразователей, хромогенных и фотохромных реагентов на катионы металлов, экстрагентов для извлечения солей металлов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Синтез незамещенныхоксатиакраун-эфиров

В настоящее время  синтезировано большое число  незамещенныхоксатиакраун-эфиров. Основные методы синтеза основаны на взаимодействии диолов или дитиолов с дигалогенидамиолигоэтиленгликолей в присутствии оснований. Полученные таким способом  простейшие макроциклы 1-10 представлены в работах [6,7], а макроциклы 6-13 - в [8-13] (схема 1, таблица 1):

Схема 1

1                   2  X=O                 4  X₁=Y₁=Z₁=O           8   X₁=Y₁=Z₁=O

3  X=S           5  X₁=Y₁=O, Z₁=S       9  X₁= S, Y₁=Z₁=O

6  X₁= O, Y₁=Z₁=S    10  X₁= O, Y₁=Z₁=S

                                         7  X₁=Y₁=S, Z₁=O

 

11 X=O                                                     13

                   12X= S                                          

Таблица 1.  Выходы и  условия получения макроциклов 1-13.

Макроцикл	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Выход %	6*	19*	26*	20*	41**	13**	21**	28**	11*	4**	10***	11**	5***

____________________________________________

*- NaOH, EtOH, **- NaOEt, EtOH, *** - KOH, EtOH

Взаимодействием aa,ww-алкандитиолов с aa,ww-дибромолигоэтиленгликолями в присутствии Cs₂CO₃ в абсолютном  ДМФА в условиях высокого разбавления с выходами от 4 до 41% получены макроциклы 1-13 (таблица 1). Лишь макроциклы 14 и 15 удалось получить с более высокими выходами [14-15]:

 

Схема 2

14                              15

n = 1 (85%) (85%)

n = 2 (85%)

n = 3 (82%)

В этих случаях  реакцию проводили в присутствии Cs₂CO₃ в абсолютном ДМФА в условиях высокого разбавления.

В аналогичных  условиях получены следующие политиамакроциклические соединения [16-18] (схема 3).

Схема 3

(60%)	(18%)	(50%)
(4%)	(50%)	(11%)
(88%)	(81%)	(72%)
(76%)	(57%)	(4%)

 

Таким образом, проведение реакции  в присутствии Cs₂CO₃ в абсолютном ДМФА в условиях высокого разбавления является более эффективным методом синтеза незамещенных оксатиакраун-эфиров

 

2.2. Синтез бензо-  и циклогексана оксатиакраун-эфиров

Для получения замещенных оксатиакраун-эфиров используются такие  же методы, как для незамещенных аналогов. В настоящее время синтезировано  множество разнообразных замещенных макроциклов, имеющих до 30 и более  звеньев в цепи, с различным  количеством атомов серы и их расположением, и содержащих заместители от простых алифатических до  гетероароматических.  

В 1970 г. Педерсен впервые синтезировал ряд бензооксатиакраун-эфиров конденсацией производных пирокатехина или 1,2-димеркаптобензола с эквивалентными количествами aa,ww-дигалогеналканов в н-бутаноле в присутствии гидроксида натрия в атмосфере азота [19, 20].

 

Схема 4

 

При взаимодействии ди-(2-хлорциклогексил)сульфида с 3-оксапента-1,5-дитиолом или 1,5-димеркапто-3-тиапентаном были получены следующие тиакраун-соединения (схема 5) с хорошими выходами[21-22]. 

Схема 5

Реакцией aa,ww-дихлоролигоэтиленгликолей c aa,ww-алкандитиолами в водном этаноле получено дициклогексантиакраун-соединение с выходом 30% [23] (схема 6).

 

Схема 6 

(30 %)

1,2-Димеркаптобензол вступает в реакцию конденсации с ди(3-галогенпропил)сульфидом с образованием бензо-11-краун-3-соединения [24] (схема 7).

Схема 7

                                                                           (43%)

При взаимодействии дитиола с дииодметаном была получена смесь 8-ми- и 16-тичленных краун-соединений. Интересно отметить, что образование 16-тичленного краун-соединения наблюдалось лишь при проведении реакции при комнатной температуре [25] (схема 8).

Cхема 8

Т = 40-50^oC             (90%)            (0%)

Т = комнатная            (47%)                      (10%)

Аналогично, реакцией дитиола  с 1,2-дибромэтаном получена смесь бензокраун-соединений, при этом изучено влияние условий  проведения реакции на выход продуктов [26] (схема 9).

 

 

 

 

Схема 9

                  42%                  19%                          4%

Интересный способ получения  бензотиакраун-соединений предложен  Зельманном [27], метод основан на использовании соли железа(II) в качестве темплатного агента (схема 10). Метод оказался особенно успешным для синтеза гексатиакраун-эфира, который образует прочный комплекс с ионом железа(II).

Схема 10

 

При взаимодействии ди-(2-хлорциклогексил)сульфида с 1,2-димеркаптобензолом в этаноле был получен 18-ти членный бензотиакраун-эфир [28]:

 

Схема 11

                                                                                    23%

 

Оказаки с сотрудниками удалось выделить гексатиакраун-эфир, содержащий три циклогептатриеновых фрагмента, с выходом 11% [29]

Схема 12

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В результате анализа литературного материала было решено синтезировать 15-бром-16-метил-1,13-дитиабензо-15-краун-5-эфира согласно следующей схеме 13:

На стадии получения 1,11-дихлор-3,6,9-триоксаундекана в трехгорлую колбу помещали тетраэтиленгликоль в бензоле в присутствии пиридина и при перемешивании, прикапывали тионилхлорид. Очистку соединения проводили путем отгонки растворителей и перегонки остатка в вакууме. Выход составил 17 г (95% от методического и 71% от теоретического). Совпадение температуры кипения (170 ^оС при 15 мм. рт. ст.), и показателя преломления n₂₀^D = 1,464 полученного дихлорида с литературными данными говорит о его чистоте (литературные данные: t_кип. = 163 ^оС (при 10 мм. рт. ст.), n₂₀^D = 1,462).

При синтезе 16-метил-1,13-дитиабензо-15-краун-5-эфира использовали 3,4-димеркаптотолуол и дихлорид тетраэтиленгликоля, в ДМФА в присутствии Cs₂CO₃, реакцию проводили в условиях высокого разбавления. Продукт очищали хроматографически на колонке с силикагелем. Выход составил  0,48 г (85% от методического и 40% от теоретического).

Для подтверждения строения полученного  вещества были сняты масс- и ЯМР (¹Н) – спектры. В спектре ЯМР ¹Н 1,11-дихлор-3,6,9-триоксаундекана присутствуют синглет при 2.29 м.д, соответствующий трем протонам метильной группы, два триплета при 3.08 и 3.13 м.д., соответствующие четырем протонам S-CH₂ групп, мультиплет при 3.60 м.д., соответствующий восьми протонам CH₂-O групп, мультиплет при 3.73 м.д. соответствующий четырем протонам и относящимся к S-CH₂-CH₂-O группам, дублет при 6.94 м.д., соответствующий одному протону Н-6, синглет при 7.15 м.д., соответствующий одному протону и относящийся к Н-2 и дублет при 7.28 м.д., соответствующий одному протону Н-5.

В масс-спектре присутствуют характерные пики ионов комплексов краун-эфира с m/z= 315 (М+Н⁺), 333 (М + Н₃О⁺), 337 (М + Na⁺), 353 (М + K⁺), которые подтверждают структуру полученного соединения.

Заключительную стадию синтеза бромзамещенного краун-эфира  проводили в атмосфере аргона. К суспензии NBS в CCl₄, добавляли краун-эфира в CCl₄ и (PhCOO)₂. Продукт очищали на колонке с силикагелем. Выход составил 0,023 г (109% от методического и 32 % от теоретического).

В спектре ЯМР ¹Н 15-бром-16-метил-1,13-дитиабензо-15-краун-5-эфира присутствуют синглет при 2.33 м.д., соответствующий трем протонам метильной группы, мультиплет при 3.10, соответствующий четырем протонам S-CH₂ групп, мультиплет при 3.60 м.д., соответствующий восьми протонам CH₂-O групп, мультиплет при 3.73 м.д., соответствующий четырем протонам и относящийся к S-CH₂-CH₂-O группам, синглет при 7.21м.д., соответствующий одному протону Н-2 и синглет при 7.149м.д., соответствующий одному протону Н-5.

В масс-спектре присутствуют характерные пики ионов комплексов  бромзамещенного краун-эфира с m/z= 411 (М + Н₃О⁺), 416 (М + Na⁺), 432 (М + K⁺), которые также подтверждают структуру полученного соединения.

 

 

 

 

 

 

 

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для  установления  строения  полученных  соединений  использовались  методы  ЯМР-спектроскопии  и  масс-спектрометрии.

Спектры ЯМР ¹Н были зарегистрированы на спектрометре “Brukerdrx-400” с рабочей частотой 400 МГц, растворители CDCl₃, , внутренний стандарт – ГМДС.

Масс-спектры полученные при ионизации электрораспылением (методом ИЭР) были зарегистрированы  на приборе Agilent 1100 SeriesLC/MSDTrampSL.

 

Стадия 1. Получение 1,11-дихлор-3,6,9-триоксаундекан

В трехгорлой колбе на 250мл нагревают до 80^оС 20 г (0,104 моль) тетраэтиленгликоля, 94 мл бензола и 18,2 г (0,23 моль) пиридина. При перемешивании прикапывают 17,33 г (0,146 моль) тионилхлорида. По окончании прикапывания тионилхлорида смесь выдерживают 16 ч при  80 ^оС.

Реакционную смесь  охлаждают до комнатной температуры, в течение 15 мин прикапывают к ней смесь 5,5 мл конц. HCl и 21 мл воды. Органическую фазу отделяют, а водную фазу несколько раз экстрагируют бензолом и объединенные органические фазы высушивают над Na₂SO₄. После отгонки растворителей и перегонки остатка в вакууме получили 17 г (95% от методического и 71% от теоретического) 1,11-дихлор-3,6,9-триоксаундекана в виде бесцветной жидкости с температурой кипения 170 ^оС (при 15 мм. рт. ст.) и показателя преломления n₂₀^D = 1,462  (литературные данные: t_кип. = 163 ^оС (при 10 мм. рт. ст.), n₂₀^D = 1,464).

 

Стадия 2. Получение 16-метил-1,13-дитиабензо-15-краун-5-эфира

В колбу на 500 мл поместить 250 мл сухого ДМФА и 2,3 г Cs₂CO₃. Раствор нагревают до 50 ^оС и прикапывают одновременно из двух воронок растворы дитиола 0,59 г (3,8 ммоль) и дихлорида 0,88 г (3,8 ммоль), растворенные в 100 мл ДМФА каждый. Смесь греют 15 часов (50 ^оС). После нагревания ее охлаждают, ДМФА упаривают досуха, промывают хлороформом и бензолом, оставшуюся соль растворяют в воде и экстрагируют из воды хлороформом остатки краун-эфира, экстракт сушат сульфитом натрия. Экстракты объединяют, упаривают досуха, продукт хроматографируют на колонке с силикагелем (EtAc / C₆H₆1:3). Выход составил  0,48г (85% от методического и 40% от теоретического).