Синтез 4-бром-4’-гидроксибифенила
Синтез
4-бром-4’-гидроксибифенила
Содержание
Введение
1.
Литературный
обзор
2.
Экспериментальная
часть
3.
Обсуждение
результатов
Выводы
Список литературы
Введение
Настоящая
работа посвящена синтезу 4-бром-4’-гидроксибифенила. Это соединение является важным
реагентом для синтеза ферроценсодержащих жидких кристаллов. Введение в молекулу
ферроцена бифенильного заместителя способствует поляризации молекулы и
межмолекулярной ассоциации.
Синтетические
подходы к замещенным производным ферроценилбифенила. На базе которого могут
быть созданы жидкие кристаллы. Разработаны недостаточно. Препятствием. Стоящим
на пути к необходимым производным ферроценилбифенила является синтез
4,4’-дизамещенных бифенилов. Наиболее рентабелен синтез этих соединений, исходя
из дешевого бифенила, реакциями электрофильного замещения.
4-Бром-4’-гидроксибифенил
может быть использован как арилирующий агент в реакции кросс-сочетания с
производным трис(4-ферроценилбороксинами) в присутствии солей палладия.
Аналогичное
применение в синтезе жидких кристаллов могут найти сложные эфиры
4-бром-4’-гидроксибифенила.
1. Литературный обзор
Получение 4,4’ замещенных
производных бифенила.
Существует
три основных метода получения 4,4’-дизамещенных бифенилов. Первый основан на
бензидиновой перегруппировке, но он почти не используется, в связи с высокой
канцерогенностью бензидина. Два других метода - это реакции электрофильного
замещения в бифениле и создание бифенильной системы реакциями кросс-сочетания,
которые используют в настоящее время. Ниже рассмотрены методы получения
4,4’-дизамещенных бифенила с помощью реакций электрофильного замещения.
Исходным веществом для
получения 4,4’ замещенных производных бифенила часто служит 4-нитробифенил.
В работе[1] авторы
получали 4-нитробифенил из бифенила:
кипячением бифенила с
концентрированной азотной кислотой в растворе ледяной уксусной кислоты был получен
4-нитробифенил [1] (т.пл. 1120-1130)
Получили достаточно
чистый продукт для использования в последующих стадиях. т. пл. 173-1760
4-бром-4’-нитробифенил
авторы работы[3] использовали для получения 4-циано-4’-гидроксибифенила:
4-нитробифенил получали
по описанной в работе [1] методике. 4-Бром-4’-нитробифенил получали нагреванием
смеси 4-нитробифенила, ледяной уксусной кислоты и брома, охлаждали и
фильтровали осадок 4-бром-4’-нитробифенила, затем, его перекристаллизовывали из
ледяной уксусной кислоты. 4-амино-4’-бромбифенил получали восстановлением
4-бром-4’-нитробифенила порошкообразным железом с соляной кислотой в этиловом
спирте. Затем полученный амин диазотировали нитритом натрия с соляной кислотой
при 00 и получали хлорид диазония, который
затем превращали в тетрафторборат. Тетрафторборат 4-бромбифенил-4’-диазония нагревали с трифторуксусной кислотой и получали
4-бром-4’-гидроксибифенил, который кипятили в диметилформамиде с цианидом меди (1).
В работе [4] из
п-нитробифенила (т. пл. 112-1130) при восстановлении избытком
выделяющегося водорода был получен п-аминобифенил. т. пл. 490.
Паранитробифенил был
получен кипячением бифенила с концентрированной азотной кислотой в растворе
ледяной уксусной кислоты[5].
Ряд галогенозамещенных
был получен авторами в работе [6]. 4-амино – 4’-галогенбифенилы получали исходя
из нитропроизводного галогенбифенила:
X= Cl
Br
При получении
4-амино-4’-хлорбифенила , 4- нитро-4’-хлорбифенил восстанавливали чистым
железом с соляной кислотой в 90% этаноле и, затем, перекристаллизовывали в
петролейном эфире (т. кип. 80-1000). т. пл. 1280[6].
В работе [7] авторы,
также, получали 4-амино-4’-хлорбифенил восстановлением 4-нитро-4’-хлорбифенила
порошкообразным железом в присутствии соляной кислоты.
4-амино-4’-бромбифенил
авторы получали восстановлением соответствующего нитросоединения по методике
[8]. К спиртовому раствору 4-бром-4’-нитробифенила добавляли раствор хлорида
олова (II) в концентрированной соляной
кислоте. 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’-йодбифенил
получали по следующей схеме
4-амино-4’-нитробифенил
получали добавлением гидрата сульфида натрия и серы к кипящему спиртовому
раствору 4,4’-динитробифенила. Полученный 4-амино-4’-нитробифенил отделяют,
перекристаллизовывают из ацетона, а затем диазотируют в ледяной уксусной
кислоте нитритом натрия при 100. Раствор соли диазония
разлагают с йодидом калия при нагревании на водяной бане. Затем полученный
4-йод-4’-нитробифенил восстанавливали при кипячении в растворе этанола с
концентрированной соляной кислотой добавлением маленькими порциями
порошкообразного цинка. Полученный продукт экстрагировали эфиром, затем
перекристаллизовывали петролейным эфиром. Получили 4-амино-4’-йодбифенил т. пл.
1650[6].
При получении
4-амино-4’-фторбифенила использовали терафтороборат бифенилдиазония:
В работе [9] авторы
получали 4-амино-4’-нитробифенил из 4,4’-динитробифенила, но ввиду плохой
растворимости 4,4’-динитробифенила в спирте его восстанавливали в растворе
пиридина. К кипящему раствору 4,4’-динитробифенила в пиридине при встряхивании
по каплям добавляли раствор полисульфида натрия. Осадок продукта обработали
водой упарили, а потом экстрагировали кипящей соляной кислотой и
перекристализовали гидрохлорид амина. Для переведения гидрохлорида в свободный
амин продукт обработали минимальным количеством пиридина, и добавили большое
количество воды, затем осадок перекристаллизовали из метанола Получили чистый
4-амино-4’-нитробифенил, т. пл. 2040.
Также синтез 4,4’
замещенных производных бифенила проводят исходя из бензидина.
Синтез
4-метокси-4’-аминобифенила проводили по следующей схеме[10]
Сначала бензидин
растворяют в соляной кислоте, к раствору при охлаждении добавляют нитрит
натрия. Соль диазония разлагают интенсивно кипящей водой. Полученный
4-гидрокси-4’-аминобифенил экстрагируют 1%м раствором щелочи(расход щелочи 5-6
литров на 50г бензидина). После очистки получается чистый продукт, т.пл.
272,5-224. 4-гидрокси-4’-ацетиламинобифенил получают ацилированием
4-гидрокси-4’-аминобифенила ледяной уксусной кислотой. Алкилируют путем
добавления KOH, а, затем, йодистого метила, с
последующим гидролизом смесью уксусной и соляной кислот с водой.
4-амино-4’-хлорбифенила
проводят по следующей схеме[11]
На первой стадии сначала
получают раствор бензидина в концентрированной соляной кислоте, который затем
охлаждают и диазотируют. Раствор соли диазония по каплям прибавляют к свежеприготовленной
однохлористой меди. Продукт экстрагируют соляной кислотой (7-8%) при кипячении.
Для выделения из соли свободного 4-амино-4’-хлорбифенила продукт обрабатывают
раствором 10%-го аммиака.
Приемлемым способом
получения замещенных биарилов является катализируемая благородными металлами
реакция кросс-сочетания. Катализируемая палладием реакция кросс-сочетания между
борорганическими соединениями и органическими галогенидами, трифторацетатами
или иодониевыми солями является прекрасным методом для создания связи С-С.
Наибольшее распространение в качестве борорганических соединений, используемых
в данного рода реакциях, получили борные кислоты. Реакции кросс-сочетания
обладают рядом преимуществ, такими как нечувствительность к присутствию воды,
толерантность по отношению к широкому кругу функциональных групп и регио- и
стерео-специфичность. Кроме того, неорганические продукты нетоксичны и легко
отделяются.
В работе
[12] изучалось кросс-сочетание пара-толилборной кислоты и 4-нитродифенилиодоний
бромида при катализе солями двухвалентного палладия.
Данную
реакцию кросс-сочетания проводят с использованием оснований, в качестве которых
применяют [12] Na2СОз, NaOH, NaOEt,
t-BuOK. Чем более стерически усложнены субстраты, тем
больший выход дают более сильные основания.
Реакция
кросс-сочетания может быть проведена при комнатной температуре, но она
протекает очень медленно, поэтому обычно реакционную смесь нагревают до
60°-110°С, особенно если используют стерически затруднённые субстраты.
2. Экспериментальная
часть
Получение
4-бром-4’-нитробифенила.
К 19,9 г(0,1 моль)
4-нитробифенила прибавили 60мл хлороформа, 6,5мл (20,2 г; 0,13моль) брома и
0,73г порошкообразного железа, Полученную смесь осторожно нагрели до начала
бурной реакции , затем, кипятили в течение 2ч. Добавили еще 0,25г железа и
кипятили еще 1ч. Реакционную смесь охладили до комнатной температуры, прибавили
к ней водный раствор сульфита натрия (10г Na2SO3 в 50мл воды) и перемешивали полученную
смесь для удаления избытка брома. Осадок продукта, окрашенного примесями в
серо-коричневый цвет, отфильтровали, промыли водой и высушили на воздухе.
Дополнительную порцию продукта получили после упаривания хлороформного раствора
и перекристаллизации остатка из уксусной кислоты с добавлением активированного
угля. Обе порции объединили и поместили в патрон аппарата Сокслета. Продукт
экстрагировали петролейным эфиром(70/100о). Экстракцию продолжали до
тех пор, пока петролейный эфир не начал окрашиваться в оранжевый 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
Получение
4-бром-4’-аминобифенила.
К 15,02г (0,054моль)
4-бром-4’-нитробифенила в 120мл спирта прибавили раствор 54г (0,24моль)
дигидрата хлорида олова(II) в
60мл концентрированной соляной кислоты. Смесь нагревали 2ч на кипящей водяной
бане при перемешивании. Затем раствор охладили, разбавили трехкратным объемом
воды. Образовавшийся осадок соли амина отфильтровали, к нему прибавили раствор
50г KOH в 70мл воды. Смесь перемешивали в
течение двух часов, затем добавили 100мл воды и отфильтровали осадок амина.
Осадок промыли водой до нейтральной реакции и высушили на воздухе. Масса
4-бром-4’-аминобифенила составила 12,24г (выход 91%), т.пл. – 145-1470.
Лит.данные [3]: т.пл. 143-145о
К 12,24г
4-бром-4’-аминобифенила прибавили 384мл воды и 48мл концентрированной соляной
кислоты. Смесь охладили льдом до 20, а затем прибавили к ней в
течение 15 минут по каплям при перемешивании на магнитной мешалке раствор 3,93г
( 0,057 моля) нитрита натрия в 52мл воды. При добавлении нитрита натрия
реакционная смесь желтеет. После добавления всего раствора нитрита натрия
перемешивание при температуре 1-1,5о продолжили еще в течение 30
мин. К полученному диазо-раствору прибавили раствор 5,99г тетрафторобората
аммония в 48мл воды. При добавлении тетрафторбората аммония смесь разогревается
до 30 и становится белой. Осадок тетрафторбората
4-бромбифенил–4’-диазония отфильтровали на воронке Бюхнера и высушили на
воздухе 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) осторожно
добавили 9,2 мл трифторуксусной кислоты и затем – в один прием - 15,52г
(0,045моль) тетрафторбората 4-бромбифенил–4’-диазония. Полученный раствор
кипятили при перемешивании в тетение 1,5 ч с защитой от влаги, до отрицательной
реакции на соль диазония с β-нафтолом (реакционную смесь защищали от влаги
хлоркальциевой трубкой, наполненной хлористым кальцием). К полученному раствору
добавили 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. Обсуждение
результатов
Целью данной работы был
синтез 4-бром-4’-гидроксибифенила. Мы рассмотрели три возможные способы его
получения: 1) реакция кросс-сочетания; 2) ацилирование 4-бромбифенила с
последующей реакцией Байера-Вилигера; 3) из соли 4-бромфенилдиазония. Поскольку
в литературе описан только последний способ, то он и был выбран нами для
получения целевого продукта.
В работе [3] была
использована следующая схема получения 4-бром-4’-гидроксибифенила
Эта схема и была выбрана
нами для получения целевого продукта. На первой стадии во время проведения
синтеза реакция шла не так интенсивно, как ожидалось, поэтому мы добавили
дополнительное количество катализатора (0,25г железа). Очистке 4-бром-4’-нитробифенила
экстракцией в аппарате Сокслета проводили до тех пор, пока экстракт не стал
окрашиваться в светло-коричневый цвет, это потребовало прекратить экстракцию.
Еще порцию вещества получали перекристаллизацией из ледяной уксусной кислоты
остатка из капсулы аппарата Сокслета.
В отличие от работы [3],
восстановление 4-бром-4’-нитробифенила мы проводили не железом, а хлоридом
олова(II) в кислой среде, как описано в
работе [8]. После восстановления мы получили гидрохлорид
4’-бром-4-бифениламина. Методика выделения свободного 4-бром-4’-аминобифенила
была разработана ранее в лаборатории КМОС. Она требовала длительного
перемешивания гидрохлорида со щелочью (5ч). Мы использовали эту методику, но
уменьшили время перемешивания до 2ч. Это практически не изменило выход
4-бром-4’-аминобифенила и не сказалось на чистоте продукта: т. пл. 145-1460
(лит. данные [3]: т.пл. 144-1450).
Получение целевого фенола
мы осуществили по следующей схеме:
Получающийся вначале
трифторацетат фенола легко гидролизуется при действии воды с образованием
конечного продукта. В нашем эксперименте мы получили загрязненное вещество, что
потребовало дополнительной кристаллизации из этанола. Поэтому выход чистого
4-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 стадиям
29%.
2.
Вещество охарактеризовано по температуре плавления, которая
соответствует литературным данным.
3.
На стадии выделения свободного 4-бром-4’-аминобифенила из его
гидрохлорида достаточно перемешивания со щелочью в течение 2ч, а не 5ч, как
было предложено ранее.
Список литературы
[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 Crystalline
Polymers Containing Heterocycloalkane Mesogens". J. Polym. S., vol.25,
2425-2432
[4] R. Belcher, A. J. Nutten, and W. I. Stephen. "Substituted
Benzidinez 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 Benzidinez
and 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. "Исследование
в ряду ароматических дисульфидов III."
Журн. Орган. Химии 1970, т. 6, 2562
[8]P. Gelmo. "Ueber Galogenderivate des
p-Amido-biphenyls und der p’Amido- p biphenyloxaminsaure". Ber. 1906, 4175
[9] Л.М. Литвиненко и А.П. Греков. "Пространственно
строение и реакционная способность. I. Ацилирование
аминопроизводных 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.