Синтез 1,3,5-трийодбензола

Московский Государственный университет им.

М. В. Ломоносова

Химический факультет

Синтез 1,3,5-трийодбензола

Курсовая работа по

органической химии студента 313 группы Ляхова А. Б..

Научный руководитель -

к. х. н. Гулюкина Н. С..

Москва, 1998

В последнее десятилетие арилйодиды находят самое широкое применение в органическом синтезе, особенно в синтетических процессах, катализируемых комплексами переходных металлов. Это обусловлено тем, что арилйодиды вступают в реакции окислительного присоединения много легче, чем соответствующие бромиды и тем более хлориды. С другой стороны, промышленное использование гомогенных каталитических процессов ставит задачу создания катализаторов многократного использования. Один из путей решения этой проблемы - создание объемных лигандов типа

что позволяет выделить катализатор из реакционной смеси фильтрованием через мембрану. Один из возможных подходов к синтезу такого типа молекул быть основан на использовании 1,3,5-трийодбензола и приведен на схеме:

Для проверки этого предположения в рамках данной курсовой работы была поставлена задача синтеза трийодбензола.

2. Литературный обзор

2.1. Получение 1,3,5-трийодбензола

В литературе описаны 2 основных метода получения 1,3,5-трийодбензола. В одном из этих методов в качестве исходного вещества берется 3,5-дийоданилин, в другом методе - 2,4,6-трийоданилин.

2.1.1. Синтез 1,3,5-трийодбензола из 3,5-дийоданилина

Метод, описанный в работе [4], состоит в диазотировании 3,5-дийоданилина, растворенного в соляной кислоте, при охлаждении в бане со льдом, после чего смесь в течение некоторого времени перемешивали без охлаждения. Потом к образовавшемуся раствору соли диазония приливали раствор йодида калияв воде, подогревали до 50⁰С. Из раствора выпадал в осадок трийодбензол. Осадок трийодбензола отфильтровывали.

Полученный таким образом 1,3,5-трийодбензол очищали путем обработки раствором щелочи и кипячения с активированным углем, после чего перекристаллизовывали его из этанола. В качестве возможных методов очистки в работе указаны также сублимация и перегонка с водяным паром. Выход 1,3,5-трийодбензола в процентах от теоретического в работе не указан.

2.1.2. Синтез 1,3,5-трийодбензола из 2,4,6-трийоданилина

Второй метод синтеза 1,3,5-трийодбензола описан в работе [1] и исходным веществом в нем служит 2,4,6-трийоданилин. Суть этого метода состоит в диазотировании 2,4,6-трийоданилина и восстановлении получившейся соли 2,4,6-трийоддиазония до 1,3,5-трийодбензола.

В принципе, существуют различные варианты восстановления аминогруппы до водорода через соль диазония, различающиеся применяемыми восстановителями, условиями проведения реакции и растворителями. В работе [1] 2,4,6-трийоданилин растворялся в смеси бензола и этанола (5 : 1 по объему) при кипячении к раствору добавлялись концентрированная серная кислота и твердый нитрит натрия, при этом образующийся сульфат 2,4,6-трийодфенилдиазония сразу восстанавливается до 1,3,5-трийодбензола (этанол служит восстановителем). После этого большая часть растворителя упаривалась, раствор охлаждался, осадок 1,3,5-трийодбензола отфильтровывался. Далее следовала очистка путем сублимации, потом - перекристаллизации из этанола. Возможна также очистка путем перегонки с водяным паром. Выход больше либо равен 50% от теоретически рассчитанного.

2.1.3. Синтез 2,4,6-трийоданилина

2.1.3.1. Синтез 2,4,6-трийоданилина путем обработки анилина монохлоридом йода в солянокислом растворе.

В работах [1,5] монохлорид йода получали взаимодействием сухого газообразного хлора с твердым йодом при комнатной температуре, полноту протекания реакции определяли по увеличению массы реакционной колбы.

Cl₂ + J₂ = 2JCl

Монохлорид йода малоустойчив, поэтому хранить его следует в холодильнике в течение не более чем нескольких дней.

Анилин растворяли в большом количестве концентрированной соляной кислоты и очень сильно разбавляли водой. Через этот раствор при комнатной температуре пропускали быстрый поток воздуха, насыщенного парами монохлорида йода. Монохлорид йода брали в некотором избытке по сравнению с теоретически рассчитанным количеством. Отмечено, что хотя JCl плавится при 25 - 27⁰С, он имеет сильную тенденцию к переохлаждению, и при комнатной температуре нет проблем с затвердеванием JCl в трубке.

Насыщение воздуха парами монохлорида йода проводилось путем пропускания потока воздуха через колбу с монохлоридом йода, подогретую на водяной бане до 60⁰С.

После окончания пропускания потока воздуха с парами монохлорида йода (оно велось в течение 30-40 минут) выпавший грязный осадок (из которого авторам не удалось выделить 2,4,6-трийоданилин) очень быстро отфильтровывали, маточный раствор оставляли на ночь. За ночь выпадал осадок 2,4,6-трийоданилина (осадок «цвета кожи буйвола»), пригодного для дальнейших превращений. Выход составлял 20 - 40% от теоретического.

В работе [2] показана возможность существенно увеличить выход 2,4,6-трийоданилина, модифицировав метод получения монохлорида йода с целью исключения его загрязнения свободным йодом и трихлоридом йода. Для этого при синтезе монохлорида йода реакционная колба должна непрерывно встряхиваться, а пропускание хлора должно вестись до тех пор, пока на стенках колбы не появятся желтые кристаллы трихлорида йода, не исчезающие при встряхивании. Перед использованием монохлорид йода следует слегка подогреть на водяной бане до исчезновения кристаллов трихлорида йода. Далее синтез 2,4,6-трийоданилина велся как в [1], при этом в осадок сразу выпадал достаточно чистый 2,4,6-трийоданилин, выход - около 80% от теоретически рассчитанного.

Для использования в дальнейших превращениях полученный 2,4,6-трийоданилин очищать не нужно.

Получение хлора.

Сухой хлор в лаборатории обычно получают взаимодействием твердого перманганата калия с концентрированной соляной кислотой с последующим пропусканием газа через серию осушителей. Стандартная методика получения хлора описана в [3]. Схему прибора и применяемые осушители - см. экспериментальную часть.

2.1.3.2. Другие способы получения 2,4,6-трийоданилина.

Другой возможный способ получения 2,4,6-трийоданилина - кипячение водного раствора 3,5-дийод-4-аминобензоата калия с йодом [6].

2,4,6-трийоданилин можно также получить из N-ацетилантраниловой кислоты, обрабатывая ее монохлоридом йода в уксусной кислоте [7].

2.1.4. Синтез 3,5-дийоданилина

В работе [4] предложена следующая схема синтеза 3,5-дийоданилина. Исходным веществом является 2,6-дийод-4-нитроанилин. Это вещество обрабатывали нитритом натрия, получали соль 2,6-дийод-4-нитрофенилдиазония и восстанавливали ее этанолом до 3,5-дийоднитробензола.

3,5-дийоднитробензол далее восстанавливали до 3,5-дийоданилина раствором хлоридом олова (II) в концентрированной соляной кислоте.

2.2. Свойства 1,3,5-трийодбензола

Точка плавления очищенного 1,3,5-трийодбензола, согласно [1], лежит в пределах 182 - 185⁰С.

О растворимости 1,3,5-трийодбензола существуют следующие данные [1]:

в воде - совершенно нерастворим;

в ацетоне, этаноле - плохо растворим в холодном, в горячем растворимость средняя;

в хлороформе - средняя растворимость в холодном, хорошо растворим в горячем;

в ледяной уксусной кислоте - плохо растворим в холодной, хорошо в горячей;

в эфире - растворимость средняя;

в бензоле, сероуглероде - хорошо растворим в холодных.

Имеются данные [1], что при нитровании 1,3,5-трийодбензола дымящейся азотной кислотой в ароматическое ядро вводятся 2 нитрогруппы, при этом образуется 2,4-динитро-1,3,5-трийодбензол.

3. Экспериментальная часть

3.1. Синтез монохлорида йода

Необходимый для синтеза монохлорида йода хлор получали путем взаимодействия твердого перманганата калия с концентрированной соляной кислотой по методике, описанной в [3]. К 80 г твердого KMnO₄, помещенного в колбу с отводом, прибавляли по каплям из капельной воронки (с пробкой, обводом и краном на нем) концентрированную соляную кислоту. (Следует иметь ввиду, что в конце реакции колбу с перманганатом калия иногда приходится подогревать). Поток полученного хлора осушался последовательно двумя промывалками с концентрированной серной кислотой, колонкой с безводным хлоридом кальция и колонкой с оксидом фосфора, после чего поток сухого хлора вводился в колбу с помещенными в нее 25 г кристаллического йода (перед промывалками с серной кислотой необходимо поставить пустую обратную промывалку, во избежание попадания серной кислоты в сосуд с перманганатом калия). Выход в атмосферу из колбы с йодом был защищен трубкой с безводным хлоридом кальция. Схема прибора приведена на рис. 1.

Замечание: прибор для получения хлора следует разбирать сразу после использования, так как под действием хлора наблюдается затвердевание смазки на шлифах.

Во время пропускания хлора колбу с йодом непрерывно встряхивали. Пропускание хлора продолжали до тех пор, пока на стенках колбы не появились оранжевые кристаллы трихлорида йода, не исчезающие при встряхивании (после этого монохлорид йода можно хранить в холодильнике несколько дней).

Перед использованием осторожно подогревали монохлорид йода на водяной бане с обратным холодильником в течение 10 минут для разложения трихлорида йода (такой подогрев проводить только перед дальнейшим использованием монохлорида йода!).

Полученный монохлорид йода представлял собой тяжелую темно-бурую жидкость, пары которой имели ярко-коричневый цвет. При хранении в холодильнике эта жидкость затвердевала.

3.2. Синтез 2,4,6-трийоданилина

4 г свежеперегнанного анилина было растворено в 200 мл концентрированной соляной кислоты, раствор был разбавлен водой до 2,8 л. Через этот раствор был пропущен быстрый поток воздуха, насыщенного парами монохлорида йода. Насыщение воздуха парами монохлорида йода проводилось пропусканием потока воздуха через колбу с помещенным в нее предварительно синтезированным JCl, подогретую на водяной бане до 60⁰С.

После начала пропускания воздуха с парами JCl раствор анилина сначала пожелтел, а затем начал выпадать осадок серого цвета с легким оттенком коричневого (цвета «шкуры буйвола»). Пропускание потока воздуха продолжалось до полного израсходования монохлорида йода, содержащегося в колбе (40 - 50 минут).

После окончания пропускания воздуха раствор с осадком стоял на воздухе 2 часа, после чего осадок был отфильтрован, высушен в вакуумном эксикаторе, а маточный раствор оставлен до следующего дня. За ночь выпал еще осадок того же цвета, который также был отфильтрован и высушен. Масса первой порции осадка была равна 18,1 г, второй порции - 2,0 г, суммарная масса обеих порций - 20,1 г.Таким образом, выход 2,4,6-трийоданилина составил 99% от теоретически рассчитанного.

3.3. Синтез 1,3,5-трийодбензола

18 г 2,4,6-трийоданилина растворили при кипячении в 225 мл бензола и 45 мл этанола, добавили 9 мл концентрированной серной кислоты и 9 г твердого нитрита натрия, кипятили до окончания выделения азота, после чего отогнали большую часть (порядка 70%) растворителя. Остаток раствора после отгонки части растворителя охладили до 0⁰С, осадок отфильтровали, промыли на фильтре метанолом, потом горячей водой. Продукт представлял собой кристаллы грязно-желто-коричневого цвета.

Дальнейшую очистку проводили методом сублимации в вакууме. Продукт сублимации имел ярко-желтый цвет. Продукт сублимации был дважды перекристаллизован из этанола. Продукт перекристаллизации имел бледно-бежевый цвет. Масса продукта составила 3,58 г. Таким образом, выход 1,3,5-трийодбензола составил 20,5% от теоретически рассчитанного.

4. Обсуждение результатов

Синтез монохлорида йода проходил в полном соответствии с методикой, без отклонений.

При синтезе 2,4,6-трийоданилина не наблюдалось выпадение осадка грязно-черного цвета, как в [1], по видимому, по причине достаточной чистоты синтезированного монохлорида йода. Выпавший осадок был серого цвета. Следует учесть, что выпадение осадка идет очень медленно (более 10% 2,4,6-трийоданилина выпало в течение ночи из маточного раствора, отделенного от осадка через 2 часа после окончания пропускания воздуха). Температура плавления продукта составила 174⁰С. По данным работы [1], температура плавления 2,4,6-трийоданилина, полученного вышеуказанным способом и очищенного перекристаллизацией из смеси ледяной уксусной кислоты и этанола, равна 185⁰С. В спектре ЯМР ¹Н наблюдаются 2 синглета равной интенсивности при 7.83 м. д. (СН ароматические) и 4.82 м. д. (NH₂). В [1] указано, что 2,4,6-трийоданилин, полученный данным способом, можно использовать для синтеза 1,3,5-трийодбензола без очистки.

Синтез 1,3,5-трийодбензола проходил в полном соответствии с методикой. Очистку продукта сублимацией проводили не при атмосферном давлении, как в методике, а в вакууме, с целью снижения температуры возгонки.

Методом тонкослойной хроматографии сублимата на Silufol UV-254 фирмы Chemapol в пентане было установлено, что в сублимате присутствует 5 различных веществ (R_fравны, соответственно, 0,93, 0,85, 0,71, 0,51, 0,23). Была проведена также тонкослойная хроматография 2,4,6-трийоданилина в тех же условиях, при этом весь 2,4,6-трийоданилин остается на стартовой линии, то есть ни одно из 5 веществ, обнаруженных в продукте сублимации, не является 2,4,6-трийоданилином. С целью выделения 1,3,5-трийодбензола была проведена дробная кристаллизация из этанола. Тонкослойная хроматография продукта кристаллизации показала наличие двух веществ c R_f, равными 0,93 и 0,85, c преобладанием первого. Была проведена повторная перекристаллизация из этанола, тонкослойная хроматография показала наличие только одного вещества с R_f = 0,93. Температура плавления этого вещества составила 172⁰С, против 181⁰С из данных [1]. В спектре ЯМР ¹Н наблюдается единственный синглет при 7,81 м. д., то есть лежащий в области резонанса ароматических протонов.

Большое число примесей объясняется, по-видимому, во-первых, тем, что очистка исходного 2,4,6-трийоданилина не проводилась, а во-вторых - возможностью протекания побочных реакций. Так, например, возможно образование 2,4,6-трийодфенола и 2,4,6-трийодфенетола. Не исключено также образование в небольших количествах продуктов реакции азосочетания. Образование примесей является общим недостатком метода восстановления солей диазония этанолом, и для его устранения был разработан метод восстановления солей диазония при помощи H₃PO₂, однако методика такого восстановления применительно к конкретному соединению - 2,4,6-трийоданилину не была найдена в литературе.

Следует обратить внимание, что по данным [1] c выходом 50% от теоретического получался неочищенный 1,3,5-трийодбензол, а потери при очистке в этой работе не учитывались. Таким образом, выход очищенного 1,3,5-трийодбензола 20.5% от теоретически рассчитанного не является принципиально более низким, чем у авторов работы [1].

Ни 1,3,5-трийодбензол, ни его предшественники - 3,5-дийоданилин и 2,4,6-трийоданилин не являются продажными реагентами, поэтому использованный метод синтеза, по-видимому, можно считать удовлетворительным методом синтеза 1,3,5-трийодбензола.

Список использованной литературы

1. C. Jackson, G. Behr // Amer. Chem. Journal, 1901, V. 26, P. 55-61.

2. C. Jackson, H. Bigelow // Amer. Chem. Journal, 1911, V. 46, P. 549-574.

3. под ред. В. П. Зломанова. Практикум по неорганической химии. М., 1994, 320 с.

4. C. Willgerodt, E. Arnold // Ber. der Deutch. Chem. Ges., 1902, V. 34, P. 3343-3354.

5. A. Michael, L. Norton // Ber. der Deutch. Chem. Ges., 1879, V. 11, P. 107-116.

6. J. Wheeler, H. Liddle // Amer. Chem. Journal, 1909, V. 42, P. 447-462.

7. W. Borshe, H. Weubmann, A. Fritzsche // Ber. der Deutch. Chem. Ges., 1925, V. 57, P. 1769-1777.