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 = 40-50oC             (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 n20D = 1,464 полученного дихлорида с литературными данными говорит о его чистоте (литературные данные: tкип. = 163 оС (при 10 мм. рт. ст.), n20D = 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 80оС 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 n20D = 1,462  (литературные данные: tкип. = 163 оС (при 10 мм. рт. ст.), n20D = 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).

Спектр ЯМР 1Н: 2.29 (с., 3Н, CH3), 3.13; 3.18 (2т., 4Н, SCH2), 3.60 (м., 8Н, CH2-O), 3.73 (м., 4Н, S-CH2-CH2-O), 6.94 (д. 1Н, Н-6) 7.15 (с. 1Н, Н-2), 7.28 (д., 1Н, 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.

 

Стадия 3. Получение 15-бром-16-метил-1,13-дитиабензо-15-краун-5-эфира

К суспензии 30 мг NBS в 10 мл CCl4 (сух.) в атмосфере аргона, добавляют 52,4 мг краун-эфира в 5 мл CCl4(сух.) и 10мг (PhCOO)2 и кипятят 4 часа. Осадок отфильтровывают. Раствор упаривают досуха, остаток хроматографируют на колонке с силикагелем (EtAc / C6H61:3). Выход составил 0,023г (109 % от методического и 35% от теоретического).

Спектр ЯМР 1Н: 2.33 (с., 3Н, CH3), 3.13; 3.10 (м., 4Н, SCH2), 3.60 (м., 8Н, CH2-O), 3.73 (м., 4Н, S-CH2-CH2-O), 7.21 (с. 1Н, Н-2) 7.49 (с. 1Н, 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.

 

 

 

 

 

 

5. ВЫВОДЫ

1. Собраны литературные данные по методам синтеза оксатиакраун-эфиров.

2. Синтезирован 1,11-дихлор-3,6,9-триоксаундекан с высоким выходом.

3. Получен 16-метил-1,13-дитиабензо-15-краун-5-эфир.

4. Из полученного  краун-эфира и NBS синтезирован 15-бром-16-метил-1,13-дитиабензо-15-краун-5-эфира.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Pietraszkiewicz, M. In Comprehensive Supramolecular Chemistry; Reinhoudt, D. N., Ed.; Pergamon: Oxford, U.K. – 1996 – Vol. 10 – Chapter 10 – P. 225.
  2. De Silva, A. P., Gunaratne, H. Q. N., Gunnlaugsson, T., Huxley, A. J. M., McCoy, C. P., Rademacher, J. T., Rice, T. E., Signaling recognition events with fluorescent sensors and switches. // Chem. Rev. – 1997 – V.97 – P.1515-1566.
  3. Alfimov, M. V., Gromov S. P. In Applied fluorescence in chemistry, biology, and medicine, Eds. Rettig, W., Strehmel, B., Schrader, S., and Seifert, H.  Springer-Verlag, Berlin – 1999 – P. 161.
  4. Громов, С. П., Алфимов, М. В. Супрамолекулярная органическая химия краунсодержащих стириловых красителей. // Изв. РАН. Сер. Хим. – 1997. – Т.46  – № 4. –  С. 611-636.
  5. Humphry-Baker, R. Komplexe stockstoffhaltiger kronenether-tenside mit stabilen silber-atomen // Angew. Chem. – 1979 – V.91 – P. 669-670.
  6. Bradshaw J. S., Hui J .Y., Can Y., Hyamore B.L., Izatt R. M.,  Christensen J. J. Macrocyclic polyethers sulfide syntheses. The preparation of thia-crown-5, 6 and 7 compounds // J. Heterocyclic Chem. – 1974. – V. 45. – № 11. – P. 45-49.
  7. Bradshaw J. S., Hui J .Y., Hyamore B.L.,  Christensen J. J. Macrocyclic polyethers sulfide syntheses. The preparation of thia-crown-3, 4 and 5 compounds // J. Heterocyclic Chem. – 1973. – V. 10. – № 1. – P. 1-4.
  8. Bradshaw J. S., Hui J .Y. Macrocyclic sulfide sintheses: A review (1) // Chem. Rev.  – 1974. – V. 11. – P. 649-672.
  9. Bradshaw J. S., Reeder R. A., Thompson M. D., Flanders E. D., Carruth R. L., Izatt R. M., Christensen J. J., Macrocyclic polyethers sulfide syntheses. The preparation of thia(-crown-6, 7 and 8) compounds // J. Org. Chem. – 1976. – V. 41. – № 1. – P. 134-136.
  10. Black, D. St. C., McLean, I. A. New macrocyclic polythioethers. // Tetrahedron Lett. – 1969. – № 45. – P. 3961-3964.
  11. Chen L.-Q., Wang Y.-T., Huang Z.-F., Synthesis of thiacrown ethers. // Chin. J. Org. Chem. – 1990. – V.10 – P. 546-549.
  12. Pedersen C. J. Cyclic polyethers and their complexes with metal salts. // J. Am. Chem. Soc. – 1967. – V. 89. – P. 7017-7036.
  13. Bradshaw J. S., Twenty-five years of “crowning” around: Synthesis of crown ethers at Brigham Young University. // J. Inclusion Phenom. Mol. Recogn. – 1997. – V. 29. – № 3.-4 – P. 221-246.
  14. Buter J., Kellogg R. M. Synthesis of macrocyclic and medium-ring dithia compounds using caesium tiolates. // J. Chem. Soc., Chem. Commun. – 1980. – V. 46. – P. 466-467.
  15. Buter J., Kellogg R. M. Synthesis of sulfur-contaning macrocycles using cesium tiolates. // J. Org. Chem. – 1981. – V. 46. – P. 4481-4485.
  16. Vriesema B. K., Lemaire M., Buter J., Kellogg R. M. Chiral (macrocyclic) sulfide- and sulfide / Alkylamino-containing ligands for nickel-catalyzed grignard cross-coupling reactions. // J. Org. Chem. – 1986. – V. 51. – № 26. – P. 5169-5177.
  17. Kruizinga W. H., Kellogg R. M. Preparation of macrocyclic lactones by ring closure of cesium carboxylates. // J. Am. Chem. Soc. – 1981. – V. 103. – № 17. – P. 5183-5189.
  18. Ostrowicki A., Koepp E, Vogtle F. The cesium effect: Syntheses of medio- and macrocyclic compounds. // Top. Curr. Chem. – 1992. – № 161 – P. 37-67.
  19. Pedersen C. J. Macrocyclic polyether sulfides. // J. Org. Chem. – 1971. – V. 36. – P. 254-257.
  20. 3,856,813. Macrocyclic sulfides. / Pedersen C. J., Salem N. J. // US Patent – 1974. – Dec. 24.
  21. Архипов А. Ю., Абрамов А. А., Иванова Н. А., Иофа З. Б., Пронина О. П., Сапожников Ю. А., Анисимов А. В. Экстракция стронция (II), серебра (I) и свинца (II) некоторыми оксатиа- и тиакраунсоединениями. // ХГС – 1996. – № 11/12. – С. 1647-1651.
  22. Архипов А. Ю., Чертков В. А., Самошин В. В., Анисимов А. В. Диаксиальная конформация циклогексановых фрагментов в дициклогексанотритиа-12-краун-4. // ХГС – 1996. – № 4. – С. 564-565
  23. Bradshaw J. S., Hui, J. Y. K. Macrocyclic sulfide syntheses. A review (1). // J. Heterocycl. Chem. – 1974. – V. 11. – № 1. – P. 649-673.
  24. Voronkov M. G., Knutov V. I. Sulfur-containing macroheterocycles. // Sulfur Reports – 1986. – V. 6. – № 3. – P. 136-256.
  25. Kyba E. P., John A. M., Brown S. B., Hudson S. W., McPhaul M. J., Harding A., Larsen K., Niedzwiecki S., R.E. Davis Triligating 11-membered rings containing tert-phosphino sites. Synthesis and structure. // J. Am. Chem. Soc. – 1980. – V. 102. – P. 139-147.
  26. Nakayama J., Tanaka S., Sugihara Y., Ishii A. Synthesis with bis(o-mercapto)phenyl sulfide: an easy access to sulfur-containing 16-membered heterocycles. // Heterocycles – 1999. – V. 50. – P. 103-108.

 

 

  1. Sellmann D., Frank P., Knoch F. [FeII(CO)2]-Fragmente als templatzentren und schutzgruppen: synthese makrozyklischer thioether und monoalkylierung von dithiolen; röntgenstrukturanalyse von dibenzo-18-krone-S6, einem planaren”Kronen”-thioether // J. Organometallic. Chem. – 1988. – V. 339. – P. 345-356.
  2. Архипов А. Ю., Абрамов А. А., Иванова Н. А., Иофа З. Б., Сапожников Ю. А., Анисимов А. В. Экстракция стронция (II), серебра (I) и свинца (II) некоторыми оксатиа- и тиакраунсоединениями. // ХГС – 1996. – № 11/12. – С. 1647-1651.
  3. Okazaki R., O-Oka M., Tokitoh N., Ivamoto N. Synthesis and reactions of 1,6-dithiocyanato- and 1,6-diiodo-1,3,5-cycloheptatrienes // J. Org. Chem. – 1985. – V. 50. – P. 180-184.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. ПРИЛОЖЕНИЕ

 

Рис. 1  ЯМР 1Н спектр 16-метил-1,13-дитиабензо-15-краун-5-эфира

 

Рис. 2  ЯМР 1Н спектр 15-бром-16-метил-1,13-дитиабензо-15-краун-5-эфира

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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