Способ дехлорирования замещенных хлорароматических соединений

 

Изобретение относится к способу дехлорирования замещенных хлорароматических соединений действием восстановителя (цинк, магний или алюминий) и каталитических количеств генерируемых in situ комплексных соединений никеля с бидентантными азотсодержащими лигандами (2,2'-бипиридилом или 1,10 - фенантролином) в среде биполярного растворителя в присутствии источника протонов при температуре 70-150°С. В результате процесс упрощается и становится более дешевым, экологически чистым, увеличиваются выходы продуктов. 8 табл.

Изобретение относится к способам дехлорирования замещенных хлорароматических соединений формулы R¹=R²=R³=R⁴=R⁵=H (1); R¹=R²=R⁴=⁵=H, R³=CH₃ (2); R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³= OCH₃ (3); R¹=R²=R⁴=R⁵ H, R³=C₂H₅ (4); R²=R³=R⁵=H, R¹=R⁴= CH₃; (5); R¹=R²=R⁴=R⁵=H; R³=NH₂ (6), R¹=R²=R³=R⁴=R⁵=F (7); R¹=R²=R³=R⁴=R⁵=CH₃ (8)
R¹=R²=R⁴=R⁵=HR³=Cl (9);
R¹=R²=R⁴=R⁵= H, R³ =COOH (10);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³=COCH₃ (11);
R¹=R³=R⁵=F, R²=R⁴= Cl (12);
R¹=R⁴, R²=R³=R⁵=Cl (13);
R¹=R²=R³=R⁴=R⁵=Cl (14);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³= C₆H₄Cl (15);
R¹=R²=R⁴=R⁵=Cl, R³=C₆Cl₅ (16)
R¹=R²=R³=H, R⁴=R⁵= -CH=CH-CH=CH- (17);
R¹=R²=R⁵= H, R⁴+R³= -CH=CH-CH=CH-(18);
R¹=R²=R³=Cl, R⁴+R⁵= -CCl=CCl-CCl=CCl- (19).

Способ может быть применен в органическом синтезе для удаления атома хлора из ароматического кольца [J.Chem. Soc., Perkin Trans 1, 1973, p. 2509] , для получения практически значимых ароматических соединений [Изв. АН СССР, сер. Хим. , 1963, с. 1524], и в качестве способа нейтрализации токсичных полихлорароматических соединений [J.Org. Chem., 1991, V.56, р. 6145].

Описан способ [Organometallics, 1991, V. 10, p. 1620], представляющий собой восстановительное дехлорирование замещенных хлорбензолов водородом при 25-80^oC в присутствии комплексов родия в условиях межфазного катализа (Аналог 1). Реакцию проводят в смеси 40% водной щелочи и толуола при температуре 25-80^oC в течение 5-48 часов. В качестве катализатора межфазного переноса используют хлорид бензилтриэтиламмония (Схема 1).

R = H (1) - 97%*, CH₃ (о - (20)-7%, м - (21) - 95%, п - (2) - 97%), OCH₃ (22) - 99%, CF₃ (23) - 87%, NH₂ (6)-91%, COCH₃ (11) - 97%, COOH(10)-99%, COOPh (24)-98%.

Cy = циклогексил.

* - указан выход продуктов дехлорирования (по данным ГЖХ).

Схема 1
Выходы целевых продуктов, определенные методами ГЖХ, составляют 7-99%. Недостатками метода являются использование газообразного водорода и высокая стоимость катализатора.

Описан также способ [J. Mol. Catal. 1992, v.73, р. 173] дехлорирования замещенных хлорбензолов в условиях катализа комплексными соединениями палладия с использованием формиата натрия или метанола в качестве восстановителя, реакцию проводят в водном растворе щелочи при температуре 100^oC в течение 20 ч (Аналог 2) (Схема 2).

R = H (1)-90%*, CHO(25)-100%, CN(26)-100%, NO₂(27)-70%, COCH₃(11)-87%, OCH₃(3)-11%, NH₂(6) -15%, CH₃(2)-14%.

dippp = 1,3-бис(диизопропилфосфино)пропан.

* - указан выход продуктов дехлорирования (по данным ГЖХ).

Схема 2
Недостатками данного способа являются продолжительное время проведения реакции и высокая стоимость комплексных соединений палладия.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу, является способ, предложенный И.Колоном [J. Org. Chem., 1982, v.47, p.2622, US 4400566, 1983] , который состоит в том, что дехлорирование арилгалогенидов протекает под действием металлов (цинка, алюминия, кальция, магния) в присутствии генерируемых in situ из солей никеля (II) и триарилфосфина (обычно трифенилфосфина) комплексных соединений никеля. Реакция протекает в атмосфере азота при 70^oC в течение 1-2 ч. В качестве растворителя используют диметилформамид, в качестве источника протонов - вода (Схема 3).

R = H(1)-66%*, OCH₃ (3)-97%, CH₃ (2)-92%, CN (26)-90%, CH₂OH (28)-97%.

* - указан выход продуктов дехлорирования по данным ГЖХ.

Схема 3
Выходы продуктов дехлорирования составляют от 66 до 97%.

Недостатком наиболее близкого аналога является использование в качестве катализатора комплексных соединений никеля с трифенилфосфином, которые
- разрушаются под действием кислорода воздуха, вследствие чего реакцию дехлорирования проводят в инертной атмосфере [J.Org. Chem. 1982, v.47, р. 2622, US 44004566 A, 1983, J.Org. Chem., 1986, v.51, p. 2627];
- взаимодействуют со свободным трифенилфосфином в восстановительных условиях, что ведет к разрушению трифенилфосфина в ходе реакции и образованию продуктов кросс-сочетания арилхлоридов и трифенилфосфина [Дж.Коллмен и др. Металлоорганическая химия переходных металлов. М.:Мир, 1989];
- составляют 30-70% массы субстрата, что затрудняет выделение, очистку целевого продукта и утилизацию токсичных отходов реакции.

Задачей данного изобретения является создание высокоэффективного, более экологически чистого способа дехлорирования замещенных хлорароматических соединений структурной формулы

где R¹=R²=R³=R⁴=R⁵=H (1);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³=CH₃ (2);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³= OCH₃ (3);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³=C₂H₅ (4);
R¹=R³=R⁵=H, R¹=R⁴= CH₃ (5);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³=NH₂ (6),
R¹=R²=R³=R⁴=R⁵=F (7);
R¹=R²=R³=R⁴=R⁵=CH₃ (8)
R¹=R²=R⁴=R⁵=HR=Cl (9);
R¹=R²=R⁴=R⁵= H, R³ =COOH (10);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³=COCH₃ (11);
R¹=R³=R⁵=F, R²=R⁴= Cl (12);
R¹=R⁴=H, R²=R³=R⁵=Cl (13);
R¹=R²=R³=R⁴=R⁵=Cl (14);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³= C₆H₄Cl (15);
R¹=R²=R⁴=R⁵=Cl, R³=C₆Cl₅ (16)
R¹=R²=R³=H, R⁴=R⁵= -CH=CH-CH=CH- (17);
R¹=R²=R⁵= H, R⁴+R³= -CH=CH-CH=CH-(18);
R¹=R²=R³=Cl, R⁴+R⁵= -CCl=CCl-CCl=CCl- (19).

Задача решается тем, что процесс дехлорирования проводят с использованием катализатора - соединений никеля (хлорида, бромида, нитрата и сульфата) в присутствии азотсодержащих бидентантных лигандов, таких как 2,2'-бипиридил или 1,10-фенантролин. Реакцию проводят под действием восстановителя (цинка, магния или алюминия) в присутствии источника протонов, в биполярных растворителях, таких как диметилформамид (ДМФ), диметилацетамид (ДМА), N-метилпирролидон-2 (МП), диметилсульфоксид (ДМCO) и гексаметилфосфортриамид (ГМФА) при 70-150^oC. В качестве источника протонов используют воду, соли аминов (хлористый аммоний и гидрохлорид триэтиламина) и разбавленные растворы неорганических (HCl) и органических (HCOOH и CH₃COOH) кислот.

Восстановитель берется в 2-3-х кратном молярном избытке по отношению к субстрату. Избыток восстановителя необходим для полной конверсии арилхлорида. В то же время верхний предел ограничивается 3-х кратным избытком цинка (магния, алюминия) с целью сокращения расхода восстановителя.

Источник протонов используется в 2-3 кратном молярном избытке по отношению к субстрату.

При необходимости удалить несколько атомов хлора из ароматического кольца количество восстановителя и источника протонов необходимо увеличить, сохраняя 2-3 кратный молярный избыток на каждый атом хлора, подлежащий удалению.

Количество катализатора варьируется от 0,01 до 0,5 моль на один моль субстрата, оптимальным является диапазон от 0,01 до 0,1 моль. При использовании менее 0,01 моль соединения никеля на 1 моль субстрата резко возрастает время, необходимое для полной конверсии субстрата, использование же более 0,1 моль катализатора ведет к неоправданному увеличению расхода реагентов.

Следует отметить, что для проведения реакции не требуется создание инертной атмосферы.

Неочевидность предлагаемого решения поставленной задачи иллюстрируется имеющимися на сегодняшний день литературными данными. Так, в литературе не описано использование предлагаемых нами соединений никеля в качестве катализаторов реакции дехлорирования замещенных хлорбензолов, хлорбифенилов и хлорнафталинов.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1.

В колбу, снабженную механической мешалкой, обратным холодильником, и масляной баней с автоматическим терморегулятором, помещают 0,242 г (0,001 моль) гексагидрата хлорида никеля, 0,156 г (0,001 моль) 2,2'-бипиридила, 4 мл диметилформамида и 1,1 г воды (1,1 мл, 0,06 моль). Смесь нагревают до 70^oC и перемешивают 10 мин до появления зеленой окраски.

Добавляют 3,9 г (0,06 моль) цинковой пыли, реакционную смесь перемешивают еще 30-40 мин до появления черной окраски. Прибавляют 4,06 г (0,02 моль) пентафторхлорбензола (7), реакционную смесь перемешивают при 70^oC 1 ч. Степень конверсии субстрата определяют методом ВЭЖХ. Отгоняют из реакционной смеси 3,03 г пентафторбензола, собирая фракцию с T_кип.=85-86^oC.

Выход продукта 90%.

Примеры 2, 3 демонстрируют использование в качестве восстановителя магния и алюминия. Примеры 2,3. Реакцию проводят в условиях примера 1, но в качестве восстановителя используется магний (1,44 г, 0,06 моль) или алюминий (1,62 г, 0,06 моль). Результаты приведены в таблице 1.

Примеры 4 - 9 демонстрируют влияние количества восстановителя.

Примеры 4 - 9. Реакцию проводят в условиях примера 1. Изменяется соотношение восстановитель (цинк, или алюминий, или магний)/субстрат. Результаты приведены в таблице 2.

Примеры 10-18 демонстрируют влияние количества катализатора.

Примеры 10 - 18. Реакцию проводят в условиях примера 1. Изменяется количество катализатора. Результаты приведены в таблице 3.

Примеры 19-23 демонстрируют возможность использования различных источников протонов.

Примеры 19 - 23. Реакцию проводят в условиях примера 1. Изменяется природа источника протонов. Результаты приведены в таблице 4.

Примеры 24 - 28 демонстрируют возможность использования различных неорганических соединений никеля для генерирования in situ комплексного соединения никеля с 2,2'-бипиридилом.

Примеры 24 - 28. Реакцию проводят в условиях примера 1. Изменяется неорганическое соединение никеля. Результаты приведены в таблице 5.

Примеры 29-32 демонстрируют влияние температуры на степень конверсии субстрата.

Примеры 29 - 32. Реакцию проводят в условиях примера 1. Изменяется температура проведения реакции. Результаты приведены в таблице 6.

Пример 33 демонстрирует возможность использования в качестве катализатора генерируемого in situ из гексагидрата хлорида никеля и 1,10-фенантролина комплексного соединения никеля.

Пример 33.

В колбу, снабженную механической мешалкой, обратным холодильником, и масляной баней с автоматическим терморегулятором, помещают 0,242 г (0,001 моль) гексагидрата хлорида никеля, 0,182 г (0,001 моль) 1,10-фенантролина, 4 мл диметилформамида и 1,1 г воды (1,1 мл, 0,06 моль). Смесь нагревают до 70^oC и перемешивают 10 мин до появления зеленой окраски.

Добавляют 3,9 г (0,06 моль) цинковой пыли, реакционную смесь перемешивают еще 30-40 мин до появления черной окраски. Прибавляют 4,06 г (0,02 моль) пентафторхлорбензола (7), реакционную смесь перемешивают при 70^oC 1 ч. Степень конверсии субстрата определяют методом ВЭЖХ. Отгоняют из реакционной смеси 3,10 г пентафторбензола, собирая фракцию с T_кип.=85-86^oC.

Выход продукта 92%.

Примеры 34-37 демонстрируют возможность использования различных растворителей.

Примеры 34-37. Реакцию проводят в условиях примера 33. Изменяется растворитель. Результаты приведены в таблице 7.

Примеры 58-78 демонстрируют возможность использования предлагаемого способа для дехлорирования замещенных хлорбензолов (1-6, 8-14), хлорбифенилов (15, 16) и хлорнафталинов (17-19).

Примеры 38 - 38. Реакцию проводят в условиях примера 33. Изменяется природа хлорароматического соединения. Продукты реакции выделяют обычными способами. Результаты приведены в таблице 8.

Таким образом, предлагаемый способ дехлорирования замещенных хлорароматических соединений позволяет:
- получать продукты дехлорирования замещенных хлорароматических соединений с высокими выходами без образования побочных продуктов, что существенно упрощает процедуру выделения целевых продуктов;
- избежать использования значительных количеств фосфиновых комплексов никеля, что позволяет значительно уменьшить количество токсичных отходов реакции;
- отказаться от использования инертной атмосферы для проведения реакции и, таким образом, упростить и удешевить процесс дехлорирования замещенных хлорароматических соединений.

Формула изобретения

Способ дехлорирования замещенных хлорароматических соединений формулы

где R¹=R²=R³=R⁴=R⁵=H (1);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³=CH₃ (2);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³=OCH₃ (3);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³=C₂H₅ (4);
R²=R³=R⁵=H, R¹=R⁴=CH₃ (5);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H; R³=NH₂ (6);
R¹=R²=R³=R⁴=R⁵=F (7);
R¹=R²=R³=R⁴=R⁵=CH₃ (8);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³=Cl (9);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³=COOH (10);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³=COCH₃ (11);
R¹=R³=R⁵=F, R²=R⁴=Cl (12);
R¹=R⁴=H, R²=R³=R⁵=Cl (13);
R¹=R²=R³=R⁴=R⁵=Cl (14);
R¹=R²=R⁴=R⁵=H, R³=C₆H₄Cl (15);
R¹=R²=R⁴=R⁵=Cl, R³=C₆Cl₅ (16);
R¹=R²=R³=H, R⁴ + R⁵=-CH=CH-CH=CH- (17);
R¹=R²=R⁵=H, R⁴ + R³=-CH=CH-CH=CH- (18);
R¹=R²=R³=Cl, R⁴ + R⁵=-CCl=CCl-CCl=CCl- (19)
действием восстановления (цинка, алюминия или магния) в присутствии источника протонов и катализатора, состоящего из соли никеля и лиганда, в среде органического биполярного растворителя, отличающийся тем, что в качестве лиганда используют 2,2'-бипиридил и 1,10-фенантролин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3