Синтез4-бром-4’-гидроксибифенила
Содержание
Введение
1. Литературныйобзор
2. Экспериментальнаячасть
3. Обсуждениерезультатов
Выводы
Список литературы
Введение
Настоящаяработа посвящена синтезу 4-бром-4’-гидроксибифенила. Это соединение являетсяважным реагентом для синтеза ферроценсодержащих жидких кристаллов. Введение вмолекулу ферроцена бифенильного заместителя способствует поляризации молекулы имежмолекулярной ассоциации.
Синтетическиеподходы к замещенным производным ферроценилбифенила. На базе которого могутбыть созданы жидкие кристаллы. Разработаны недостаточно. Препятствием. Стоящимна пути к необходимым производным ферроценилбифенила является синтез4,4’-дизамещенных бифенилов. Наиболее рентабелен синтез этих соединений, исходяиз дешевого бифенила, реакциями электрофильного замещения.
4-Бром-4’-гидроксибифенилможет быть использован как арилирующий агент в реакции кросс-сочетания спроизводным трис(4-ферроценилбороксинами) в присутствии солей палладия.
Аналогичноеприменение в синтезе жидких кристаллов могут найти сложные эфиры4-бром-4’-гидроксибифенила.
1. Литературный обзор
Получение 4,4’ замещенныхпроизводных бифенила.
Существуеттри основных метода получения 4,4’-дизамещенных бифенилов. Первый основан набензидиновой перегруппировке, но он почти не используется, в связи с высокойканцерогенностью бензидина. Два других метода — это реакции электрофильногозамещения в бифениле и создание бифенильной системы реакциями кросс-сочетания,которые используют в настоящее время. Ниже рассмотрены методы получения4,4’-дизамещенных бифенила с помощью реакций электрофильного замещения.
Исходным веществом дляполучения 4,4’ замещенных производных бифенила часто служит 4-нитробифенил.
В работе[1] авторыполучали 4-нитробифенил из бифенила:
/>
кипячением бифенила сконцентрированной азотной кислотой в растворе ледяной уксусной кислоты былполучен 4-нитробифенил [1] (т.пл. 1120-1130)
В работе [2] авторыполучали 4-бром-4’-нитробифенил при перемешивании смеси при нагревании4-нитробифенила в растворе ледяной уксусной кислоты с бромом в отсутствиекатализатора, причем продолжительное нагревание уменьшало выход (выход 80%).
/>
Получили достаточночистый продукт для использования в последующих стадиях. т. пл. 173-1760
4-бром-4’-нитробифенилавторы работы[3] использовали для получения 4-циано-4’-гидроксибифенила:
/>
4-нитробифенил получалипо описанной в работе [1] методике. 4-Бром-4’-нитробифенил получали нагреваниемсмеси 4-нитробифенила, ледяной уксусной кислоты и брома, охлаждали ифильтровали осадок 4-бром-4’-нитробифенила, затем, его перекристаллизовывали изледяной уксусной кислоты. 4-амино-4’-бромбифенил получали восстановлением4-бром-4’-нитробифенила порошкообразным железом с соляной кислотой в этиловомспирте. Затем полученный амин диазотировали нитритом натрия с соляной кислотойпри 00и получали хлорид диазония, которыйзатем превращали в тетрафторборат. Тетрафторборат 4-бромбифенил-4’-диазония нагревали с трифторуксусной кислотой и получали4-бром-4’-гидроксибифенил, который кипятили в диметилформамиде с цианидом меди (1).
В работе [4] изп-нитробифенила (т. пл. 112-1130) при восстановлении избыткомвыделяющегося водорода был получен п-аминобифенил. т. пл. 490.
/>
Паранитробифенил былполучен кипячением бифенила с концентрированной азотной кислотой в раствореледяной уксусной кислоты[5].
Ряд галогенозамещенныхбыл получен авторами в работе [6]. 4-амино – 4’-галогенбифенилы получали исходяиз нитропроизводного галогенбифенила:
/>
X= Cl
Br
При получении4-амино-4’-хлорбифенила, 4- нитро-4’-хлорбифенил восстанавливали чистымжелезом с соляной кислотой в 90% этаноле и, затем, перекристаллизовывали впетролейном эфире (т. кип. 80-1000). т. пл. 1280[6].
В работе [7] авторы,также, получали 4-амино-4’-хлорбифенил восстановлением 4-нитро-4’-хлорбифенилапорошкообразным железом в присутствии соляной кислоты.
4-амино-4’-бромбифенилавторы получали восстановлением соответствующего нитросоединения по методике[8]. К спиртовому раствору 4-бром-4’-нитробифенила добавляли раствор хлоридаолова (II) в концентрированной солянойкислоте. Смесь нагревали в течение 4х часов на водяной бане при температуре 1000.К плоченной соли аминобифенила добавляли KOH и перемешивали в течение 5 часов. Т. пл.1460[6]
4-амино-4’-йодбифенилполучали по следующей схеме
/>
4-амино-4’-нитробифенилполучали добавлением гидрата сульфида натрия и серы к кипящему спиртовомураствору 4,4’-динитробифенила. Полученный 4-амино-4’-нитробифенил отделяют,перекристаллизовывают из ацетона, а затем диазотируют в ледяной уксуснойкислоте нитритомнатрия при 100. Раствор соли диазонияразлагают с йодидом калия при нагревании на водяной бане. Затем полученный4-йод-4’-нитробифенил восстанавливали при кипячении в растворе этанола сконцентрированной соляной кислотой добавлением маленькими порциямипорошкообразного цинка. Полученный продукт экстрагировали эфиром, затем перекристаллизовывалипетролейным эфиром. Получили 4-амино-4’-йодбифенил т. пл. 1650[6].
При получении4-амино-4’-фторбифенила использовали терафтороборат бифенилдиазония:
/>
К бифенилдиазоний-хлоридудобавляли раствор тетрафторбората натрия, затем нитровали и восстанавливалипорошкообразным цинком с соляной кислотой и перекристаллизовывали из петролейногоэфира. т. пл. 1200[6]
В работе [9] авторыполучали 4-амино-4’-нитробифенил из 4,4’-динитробифенила, но ввиду плохойрастворимости 4,4’-динитробифенила в спирте его восстанавливали в растворепиридина. К кипящему раствору 4,4’-динитробифенила в пиридине при встряхиваниипо каплям добавляли раствор полисульфида натрия. Осадок продукта обработаливодой упарили, а потом экстрагировали кипящей соляной кислотой иперекристализовали гидрохлорид амина. Для переведения гидрохлорида в свободныйамин продукт обработали минимальным количеством пиридина, и добавили большоеколичество воды, затем осадок перекристаллизовали из метанола Получили чистый4-амино-4’-нитробифенил, т. пл. 2040.
Также синтез 4,4’замещенных производных бифенила проводят исходя из бензидина.
Синтез4-метокси-4’-аминобифенила проводили по следующей схеме[10]
/>
Сначала бензидинрастворяют в соляной кислоте, к раствору при охлаждении добавляют нитритнатрия. Соль диазония разлагают интенсивно кипящей водой. Полученный4-гидрокси-4’-аминобифенил экстрагируют 1%м раствором щелочи(расход щелочи 5-6литров на 50г бензидина). После очистки получается чистый продукт, т.пл.272,5-224. 4-гидрокси-4’-ацетиламинобифенил получают ацилированием4-гидрокси-4’-аминобифенила ледяной уксусной кислотой. Алкилируют путемдобавления KOH, а, затем, йодистого метила, споследующим гидролизом смесью уксусной и соляной кислот с водой.
4-амино-4’-хлорбифенилапроводят по следующей схеме[11]
/>
На первой стадии сначалаполучают раствор бензидина в концентрированной соляной кислоте, который затемохлаждают и диазотируют. Раствор соли диазония по каплям прибавляют ксвежеприготовленной однохлористой меди. Продукт экстрагируют соляной кислотой(7-8%) при кипячении. Для выделения из соли свободного 4-амино-4’-хлорбифенилапродукт обрабатывают раствором 10%-го аммиака.
Приемлемым способомполучения замещенных биарилов является катализируемая благородными металламиреакция кросс-сочетания. Катализируемая палладием реакция кросс-сочетания междуборорганическими соединениями и органическими галогенидами, трифторацетатамиили иодониевыми солями является прекрасным методом для создания связи С-С.Наибольшее распространение в качестве борорганических соединений, используемыхв данного рода реакциях, получили борные кислоты. Реакции кросс-сочетанияобладают рядом преимуществ, такими как нечувствительность к присутствию воды,толерантность по отношению к широкому кругу функциональных групп и регио- истерео-специфичность. Кроме того, неорганические продукты нетоксичны и легкоотделяются.
В работе[12] изучалось кросс-сочетание пара-толилборной кислоты и 4-нитродифенилиодонийбромида при катализе солями двухвалентного палладия.
/>
Даннуюреакцию кросс-сочетания проводят с использованием оснований, в качестве которыхприменяют [12] Na2СОз, NaOH, NaOEt,t-BuOK. Чем более стерически усложнены субстраты, тембольший выход дают более сильные основания.
Реакциякросс-сочетания может быть проведена при комнатной температуре, но онапротекает очень медленно, поэтому обычно реакционную смесь нагревают до60°-110°С, особенно если используют стерически затруднённые субстраты.
2. Экспериментальнаячасть
Получение4-бром-4’-нитробифенила.
/>
К 19,9 г(0,1 моль)4-нитробифенила прибавили 60мл хлороформа, 6,5мл (20,2 г; 0,13моль) брома и0,73г порошкообразного железа, Полученную смесь осторожно нагрели до началабурной реакции, затем, кипятили в течение 2ч. Добавили еще 0,25г железа и кипятилиеще 1ч. Реакционную смесь охладили до комнатной температуры, прибавили к нейводный раствор сульфита натрия (10г Na2SO3 в 50мл воды) и перемешивалиполученную смесь для удаления избытка брома. Осадок продукта, окрашенногопримесями в серо-коричневый цвет, отфильтровали, промыли водой и высушили навоздухе. Дополнительную порцию продукта получили после упаривания хлороформногораствора и перекристаллизации остатка из уксусной кислоты с добавлениемактивированного угля. Обе порции объединили и поместили в патрон аппаратаСокслета. Продукт экстрагировали петролейным эфиром(70/100о).Экстракцию продолжали до тех пор, пока петролейный эфир не начал окрашиваться воранжевый цвет. Получили 4-бром-4’-нитробифенил в виде желтоватых кристаллов,т.пл -174-176о. Масса продукта составила 15,34г (выход 61%).Лит.данные [2]: т.пл. 173-176о
Получение4-бром-4’-аминобифенила.
/>
К 15,02г (0,054моль)4-бром-4’-нитробифенила в 120мл спирта прибавили раствор 54г (0,24моль)дигидрата хлорида олова(II) в60мл концентрированной соляной кислоты. Смесь нагревали 2ч на кипящей водянойбане при перемешивании. Затем раствор охладили, разбавили трехкратным объемомводы. Образовавшийся осадок соли амина отфильтровали, к нему прибавили раствор50г KOH в 70мл воды. Смесь перемешивали втечение двух часов, затем добавили 100мл воды и отфильтровали осадок амина.Осадок промыли водой до нейтральной реакции и высушили на воздухе. Масса4-бром-4’-аминобифенила составила 12,24г (выход 91%), т.пл. – 145-1470.Лит.данные [3]: т.пл. 143-145о
Тетрафтороборат4-бромбифенил – 4’ диазония.
/>
/>
К 12,24г4-бром-4’-аминобифенила прибавили 384мл воды и 48мл концентрированной солянойкислоты. Смесь охладили льдом до 20, а затем прибавили к ней втечение 15 минут по каплям при перемешивании на магнитной мешалке раствор 3,93г( 0,057 моля) нитрита натрия в 52мл воды. При добавлении нитрита натрияреакционная смесь желтеет. После добавления всего раствора нитрита натрияперемешивание при температуре 1-1,5о продолжили еще в течение 30мин. К полученному диазо-раствору прибавили раствор 5,99г тетрафтороборатааммония в 48мл воды. При добавлении тетрафторбората аммония смесь разогреваетсядо 30и становится белой. Осадок тетрафторбората4-бромбифенил–4’-диазония отфильтровали на воронке Бюхнера и высушили навоздухе в течение двух дней. Масса продукта составила 15,52г (выход 91%), т.пл.– выше 128о разлагается.
4. Получение 4-бром-4’-гидроксибифенила
/>
К 3,2г (0,022моль)прокаленного карбоната калия при охлаждении льдом (0оС) осторожнодобавили 9,2 мл трифторуксусной кислоты и затем – в один прием — 15,52г(0,045моль) тетрафторбората 4-бромбифенил–4’-диазония. Полученный растворкипятили при перемешивании в тетение 1,5 ч с защитой от влаги, до отрицательнойреакции на соль диазония с β-нафтолом (реакционную смесь защищали от влагихлоркальциевой трубкой, наполненной хлористым кальцием). К полученному растворудобавили 260 мл воды и перемешивали при комнатной температуре в течение 1 ч.Охладили до-5о и отфильтровали образовавшийся осадок продукта,осадок промыли водой до нейтральной реакции. Перекристаллизовали из спирта.Получили 5,57г (выход 57%) 4-бром-4’-гидроксибифенила. т. пл. 163-1650.Лит.данные [3]: т.пл. 164-166о.
3. Обсуждениерезультатов
Целью данной работы былсинтез 4-бром-4’-гидроксибифенила. Мы рассмотрели три возможные способы егополучения: 1) реакция кросс-сочетания; 2) ацилирование 4-бромбифенила споследующей реакцией Байера-Вилигера; 3) из соли 4-бромфенилдиазония. Посколькув литературе описан только последний способ, то он и был выбран нами дляполучения целевого продукта.
В работе [3] былаиспользована следующая схема получения 4-бром-4’-гидроксибифенила
/>
Эта схема и была выбрананами для получения целевого продукта. На первой стадии во время проведениясинтеза реакция шла не так интенсивно, как ожидалось, поэтому мы добавилидополнительное количество катализатора (0,25г железа). Очистке4-бром-4’-нитробифенила экстракцией в аппарате Сокслета проводили до тех пор,пока экстракт не стал окрашиваться в светло-коричневый цвет, это потребовалопрекратить экстракцию. Еще порцию вещества получали перекристаллизацией изледяной уксусной кислоты остатка из капсулы аппарата Сокслета.
В отличие от работы [3],восстановление 4-бром-4’-нитробифенила мы проводили не железом, а хлоридомолова(II) в кислой среде, как описано вработе [8]. После восстановления мы получили гидрохлорид4’-бром-4-бифениламина. Методика выделения свободного 4-бром-4’-аминобифенилабыла разработана ранее в лаборатории КМОС. Она требовала длительногоперемешивания гидрохлорида со щелочью (5ч). Мы использовали эту методику, ноуменьшили время перемешивания до 2ч. Это практически не изменило выход4-бром-4’-аминобифенила и не сказалось на чистоте продукта: т. пл. 145-1460(лит. данные [3]: т.пл. 144-1450).
Получение целевого феноламы осуществили по следующей схеме:
/>
Получающийся вначалетрифторацетат фенола легко гидролизуется при действии воды с образованиемконечного продукта. В нашем эксперименте мы получили загрязненное вещество, чтопотребовало дополнительной кристаллизации из этанола. Поэтому выход чистого4-бром-4’-гидроксибифенила после перекристаллизации составил только 57% (лит.данные [3]: выход 80%).
Выводы
1. Синтезирован 4-бром-4’-гидроксибифенил с общим выходом по трем стадиям29%.
2. Вещество охарактеризовано по температуре плавления, котораясоответствует литературным данным.
3. На стадии выделения свободного 4-бром-4’-аминобифенила из егогидрохлорида достаточно перемешивания со щелочью в течение 2ч, а не 5ч, какбыло предложено ранее.
Список литературы
[1] T. Carnellce, J. Schleselman. «Amidodiphenylsulphonicacid and aro-dies from diphenyl». // J. Chem. Soc., 1886, vol.49, 380
[2] J. Wood, E. Turner. «Orientation Effects in the Diphenil series.Part III». // .J. Chem. Soc., 1926, 2041
[3] C.S. Hsu, J. M. modgiguez-Parada, and V. Vercec. «Liquid CrystallinePolymers Containing Heterocycloalkane Mesogens». J. Polym. S., vol.25,2425-2432
[4] R. Belcher, A. J. Nutten, and W. I. Stephen. «SubstitutedBenzidinez and Related reagent Compounds Part I. ». // J. Chem. Soc. 1952,1334.
[5] E. Tauber, diese Ber.1894, 2629
[6] R. Belcher, A. J. Nutten, and W. I. Stephen. «Substituted Benzidinezand Related reagent Compounds Part II. Reagent for the Precipitation of Sulphate». // J. Chem. Soc. 1953, 1334.
[7] А.Я. Желтов, В.Я. Родионов, Б.И. Степанов. «Исследованиев ряду ароматических дисульфидов III.»Журн. Орган. Химии 1970, т. 6, 2562
[8]P. Gelmo. «Ueber Galogenderivate desp-Amido-biphenyls und der p’Amido- p biphenyloxaminsaure». Ber. 1906, 4175
[9] Л.М. Литвиненко и А.П. Греков. «Пространственностроение и реакционная способность. I. Ацилированиеаминопроизводных бифенила». Укр. Хим. Ж. 1954, т. 20, 194.
[10] Методы получения химических реагентов и препаратов. 1965, 130.
[11] Л.М. Литвиненко, В.М. Зикранец. «4-амино-4’-хлорбифенил».Методы получения химических реагентов и препаратов. 1965, 132.
[12] Suzuki A. // J. Organometal. Chem. 1999. V. 576. P. 147.