способ региоселективного синтеза моногалогенпроизводных 1,2-, 1,7-, 1,12-дикарба-клозо-додекаборанов(12)

Формула изобретения

Способ региоселективного синтеза моногалогенпроизводных 1,2-, 1,7-, 1,12-дикарба-клозо-додекаборанов(12), включающий взаимодействие о(м,п)-карборанов с галогенирующими агентами в среде кислотного органического растворителя с последующим выделением конечного продукта, отличающийся тем, что процесс проводят в присутствии катализатора, в качестве которого используют сильную кислоту: серную (H₂SO₄), метансульфоновую (CH ₃SO₂OH) и трифторо-метансульфоновую (CF ₃SO₂OH) в количестве 0,1-1,0% мол., а процесс ведут при температуре кипения кислотного органического растворителя в течение 2-5 ч, при этом в качестве кислотного органического растворителя применяют одноосновные жидкие органические кислоты алифатического ряда R-COOH, где R=Н, C_nH_2n+1 , C_nF_2n+1, n=1-3 линейного и разветвленного строения, а в качестве галогенирующих агентов используются N-галогенимиды(амиды): N-галогенсукцинимиды, 1,3-дигалоген-5,5-диметилгидантоины, тригалоген-изоциануровые кислоты, N-галогенарилсульфонамиды и их натриевые соли, N-галогенфталимиды, где галоген=Cl, Br, I; арил=фенил, п-толил.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения борорганических соединений, в частности моногалогенпроизводных 1,2-, 1,7-, 1,12-дикарба-клозо-додекаборанов(12) (о-, м-, п-карборанов соответственно), а именно 9-хлор-, 9-бром-, 9-иод-о(м)-карборанов и 2-хлор-, 2-бром-, 2-иод-п-карборанов, которые могут быть использованы в качестве структурных единиц для синтеза супрамолекулярных систем. 9-Галоген-о(м)- и 2-галоген-п-карбораны являются исходными соединениями для дальнейшего синтеза 9(9,2)-фтор-, 9(9,2)-алкил- и 9(9,2)-арил-о(м,п)-карборанов - перспективных структур для молекулярной электроники, а также как рентгеноконтрастные вещества и субстраты в борнейтро-нозахватной терапии.

В известном способе получения 9(9,2)-галоген-о(м,п)-карборанов электрофильным галогенированием замену атома водорода на атом галогена осуществляют взаимодействием о-, м- и п-карборанов с элементарным галогеном (в качестве иодирующих агентов также используют межгалогенные соединения ICl и IBr) в среде тетрахлорида углерода (ССЦ), трихлор-метана (CHCl₃), метиленхлорида (CH ₂Cl₂) или дисульфида углерода (CS₂ ) в присутствии кислот Льюиса: A1Cl₃, Al Br₃ , FeCl₃. Синтез проводят при температуре кипения растворителя. (Schroeder Н., Heying T.L., Reiner J.R. Inorg. Chem., 1963, v.2, No. 6. P.1092. Захаркин Л.И., Охлобыстин О.Ю., Семин Г.К., Бабушкина Т.А. Изв. АН СССР, сер. хим., 1965, № 10. С.1913. Захаркин Л.И., Калинин В.Н. ДАН СССР, 1966, т.169, № 3. С.590. Захаркин Л.И., Калинин В.Н. Ж. общ. хим., 1966, т.36. С.2218. Станко В.И., Климова А.И., Климова Т.П. Ж. общ. хим., 1967, т.37. С.2236. Станко В.И., Братцев В.А., Вострикова В.А., Данилова Г.Н. Ж. общ. хим., 1968, т.38. С.1348. Станко В.И., Гольтяпин Ю.В. Ж. общ. хим., 1969, т.39. С.711. Sieckhaus J.F., Semenuk N.S., Knowles T.A., Schroeder H. Inorg. Chem., 1969, v.8, No. 11. P.2452. Станко В.И., Гольтяпин Ю.В. Ж. общ. хим., 1970, т.40. С.127. Jiang W., Knobler C.B., Curtis С.Е., Mortimer, M.D., Hawthorne M.F. Inorg. Chem., 1995, v.34, No. 13. P.3491. Пат. США US 5489673, МПК C07H 23/00, C07H 5/06, A61K 49/04, 1996.).

К недостаткам данного способа можно отнести следующее:

- обработка о-, м- и п-карборанов галогенами в условиях электрофильного галогенирования приводит не только к моногалогенпроизводным, но также и к ди-, три-, тетра-, и поли-B-галогенкарборанам, что требует тщательного и трудоемкого разделения конечных продуктов реакции;

- сравнительно низкий выход целевых продуктов, а именно 9(9,2)-галоген-о(м,п)-карборанов;

- использование галогенсодержащих кислот Льюиса не идентичных по внедряемому в карборановое ядро галогену приводит к образованию смешанных галогенпроизводных о-, м- и п-карборанов, что еще более затрудняет разделение реакционной смеси на индивидуальные компоненты;

- использование элементарных галогенов представляет опасность как для окружающей среды, так и для персонала;

- галогенсодержащие растворители являются озоноразрушающими средствами.

Известен способ получения галогенпроизводных карборанов фотохимическим (радикальным) галогенированием о-, м- и п-карборанов элементарными галогенами в среде галогенсодержащих органических растворителей под воздействием УФ-облучения. (Захаркин Л.И., Калинин В.Н. Ж. общ. хим., 1966, т.36. С.362. Захаркин Л.И., Калинин В.Н. ДАН СССР, 1967, т.173. С.1091. Sieckhaus J.F., Semenuk N.S., Knowles Т.А., Schroeder H. Inorg. Chem. 1969, v.8, No. 11. P.2452. Станко В.И., Климова T.B., Белецкая И.П. ДАН СССР, 1977, т.234. С.1347. Захаркин Л.И., Ольшевская В.А. Изв. API СССР, сер. хим., 1987. С.1608. Авт. свид. СССР № 1657506, МПК C07F 5/02, C08K 5/55, 1991.).

К недостаткам данного способа относится следующее:

- сравнительно низкий выход целевых продуктов;

- получение смеси моно-, ди- и полигалоген-о(м,п)-карборанов;

- использование элементарных галогенов представляет опасность как для окружающей среды, так и для персонала;

- необходимость применения надежной защиты персонала от УФ-облучения;

- галогенсодержащие растворители являются озоноразрушающими средствами.

Также известен способ получения нидо-9,11-X ₂-7,8-C₂B₉H₁₀ ^--анионов (X=Cl, Br, I) с применением галогенсукцинимидов (Santos Е.С., Pinkerton А.В., Kinkead S.A., Hurlburt P.K., Jasper S.A., Sellers C.W., Huffman J.C., Todd L.J. Polyhedron, 2000, v.19, P.1777). Реакцию галогенирования нидо-7,8-C₂ B₉H₁₂ ^- - аниона галогенсукцинимидами осуществляют в таких растворителях как ацетонитрил, тетрагидрофуран, бензол, хлористый метилен, диметилформамид или диметилсульфоксид как при комнатной температуре, так и при температуре кипения растворителя.

Однако данным способом синтезируют исключительно дигало-генпроизводные аниона додекагидродикарба-нидо-ундекабората (в виде алкиламмониевых солей), а не моногалогенпроизводные о(м,п)-карборанов. Кроме того, указанная реакция сопровождается образованием ряда побочных продуктов.

Наиболее близким по технической сущности и принятым нами в качестве прототипа является способ получения 9-галоген-о-карборанов (Пат. РФ RU 2454422, C07F 5/02, 2011), заключающийся в галогенировании о-карборана N-галогенимидами(амидами) в среде кислотного органического растворителя. Однако этим способом получают только моногалогенпроизводные о-карборана, а продолжительность реакции занимает относительно длительный период времени (от 4 до 8 ч).

Задача данного изобретения заключается в создании простого региоселективного, экологически чистого ("зеленая химия"), пожаро- и взрывобезопасного способа получения 9(9,2)-галоген-о(м,п)-карборанов с высоким выходом целевых продуктов.

Поставленная задача достигается тем, что предложен способ регио-селективного синтеза моногалогенпроизводных 1,2-, 1,7-, 1,12-дикарба-клозо-додекаборанов(12), а именно 9(9,2)-галоген-о(м,п)-карборанов, включающий взаимодействие о(м,п)-карборанов с галогенирующими агентами в среде кислотного органического растворителя с последующим выделением конечного продукта, отличающийся тем, что процесс проводят в присутствии катализатора, в качестве которого используют сильную кислоту: серную (H₂SO₄), метансульфоновую (CH ₃SO₂OH) и трифторо-метансульфоновую (CF ₃SO₂OH) в количестве 0,1-1,0% мол., а процесс ведут при температуре кипения кислотного органического растворителя в течение 2-5 ч, при этом в качестве кислотного органического растворителя применяют одноосновные жидкие органические кислоты алифатического ряда R-COOH, где R=Н, C_nH_2n+1 , C_nF_2n+1, n=1-3 линейного и разветвленного строения, а в качестве галогенирующих агентов используются N-галогенимиды(амиды): N-галогенсукцинимиды, 1,3-дигалоген-5,5-диметилгидантоины, тригалоген-изоциануровые кислоты, N-галогенарилсульфонамиды и их натриевые соли, N-галогенфталимиды, где галоген=Cl, Br, I; арил=фенил, п-толил.

Выходы конечных продуктов составляют 60-80% от теории в пересчете на очищенный (перекристаллизованный из н-гептана) продукт, причем образуются исключительно моногалогенпроизводные о(м,п)-карборанов в соответствии с уравнениями реакций:

Достигнутый технический результат состоит в упрощении синтеза 9(9,2)-галоген-о(м,п)-карборанов за счет следующих факторов: реакция не экзотермична, проводится на воздухе (без использования инертной атмосферы), исключается стадия абсолютирования растворителей, экологически безопасна (не используются галогенированные растворители), процесс пожаро- и взрывобезопасен, использование катализатора уменьшает продолжительность синтеза, что приводит к увеличению производительности процесса и снижению энергозатрат.

Синтез 9(9,2)-галогенпроизводных о(м,п)-карборанов реакцией галогенирования проводят при перемешивании реакционной массы в круглодонной колбе, снабженной мешалкой, термометром, обратным холодильником в воздушной атмосфере. В колбу загружают расчетное количество о(м,п)-карборана, галогенирующего агента, кислотного органического растворителя, реакционную массу перемешивают в течение 5-15 мин при комнатной температуре, затем добавляют катализатор в виде 0,1 молярного раствора в соответствующем кислотном органическом растворителе и доводят температуру реакционной массы до температуры кипения органического растворителя; продолжительность процесса составляет от 2 ч для монобромпроизводного о-карборана и до 5 ч для монохлорпроизводного п-карборана. После охлаждения до температуры окружающей среды реакционную массу обрабатывают дистиллированной водой, в результате чего целевой продукт выпадает в осадок, который фильтруют, дважды промывают дистиллированной водой, отжимают и сушат в вакууме (30 мм рт.ст.) при 70°C. Затем продукт перекристаллизовывают из кипящего н-гептана (т. кип.97-99°C). Образующиеся в процессе реакции имиды и амиды остаются в водно-кислотном растворе.

Ниже приведены примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Получение 9-бром-о-карборана (сравнительный по прототипу).

В трехгорлую круглодонную колбу (0,25 л), снабженную мешалкой, термометром, обратным холодильником, загружают 7,3 г (50,0 ммоль) о-карборана (с учетом 99% чистоты), 10,0 г (55,0 ммоль) N-бромсукцинимида и 100 мл 99%-ной уксусной кислоты. Включают мешалку и реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения уксусной кислоты (118-120°С) в течение 4 часов. Затем реакционную массу охлаждают до комнатной температуры, прибавляют 300 мл дистиллированной воды. Образовавшийся осадок фильтруют на фильтре Шотта, промывают 2×200 мл дистиллированной воды, отжимают и сушат в вакууме (30 мм рт. ст.) при 70°С. Затем продукт перекристаллизовывают из кипящего н-гептана (т.кип.97-99°С). Общий выход 71% от теории. Т. пл. 205-208°С.

Пример 2. Получение 9-бром-о-карборана.

В трехгорлую круглодонную колбу (0,25 л), снабженную мешалкой, термометром, обратным холодильником, загружают 7,3 г (50,0 ммоль) о-карборана (с учетом 99% чистоты), 10,0 г (55,0 ммоль) N-бромсукцинимида (99%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной уксусной кислоты. Включают мешалку и реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем добавляют 0,5 ммоль серной кислоты в виде 0,1 молярного раствора в уксусной кислоте (5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения уксусной кислоты (118-120°С) в течение 2 ч. Затем реакционную массу охлаждают до комнатной температуры, прибавляют 300 мл дистиллированной воды. Образовавшийся осадок фильтруют на фильтре Шотта, промывают 2×200 мл дистиллированной воды, отжимают и сушат в вакууме (30 мм рт. ст.) при 70°С. Затем продукт перекристаллизовывают из кипящего н-гептана (т.кип.97-99°С). Общий выход 71% от теории. Т. пл. 205-208°С.

Пример 3. Получение 9-иод-о-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) о-карборана (с учетом 99% чистоты), 13,0 г (55,0 ммоль) N-иодсукцинимида (95%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной уксусной кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем добавляют 0,05 ммоль серной кислоты в виде 0,1 молярного раствора в уксусной кислоте (0,5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения уксусной кислоты (118-120°С) в течение 3 ч. Общий выход 68% от теории. Т. пл. 119-121°С.

Пример 4. Получение 9-хлор-о-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) о-карборана (с учетом 99% чистоты), 4,4 г (18,4 ммоль) трихлор-N-изоциануровой кислоты (97%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной уксусной кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем добавляют 0,5 ммоль серной кислоты в виде 0,1 молярного раствора в уксусной кислоте (5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения уксусной кислоты (118-120°С) в течение 3 ч. Общий выход 79% от теории. Т. пл. 228-232°С.

Пример 5. Получение 9-хлор-о-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) о-карборана (с учетом 99% чистоты), 5,53 г (27,5 ммоль) 1,3-дихлор-5,5-диметилгидантоина (98%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной пропионовой кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 15 мин. Затем добавляют 0,5 ммоль метансульфоновой кислоты в виде 0,1 молярного раствора в пропионовой кислоте (5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения пропионовой кислоты (140-141°С) в течение 2 ч. Общий выход 76% от теории. Т. пл. 228-232°С.

Пример 6. Получение 9-бром-о-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) о-карборана (с учетом 99% чистоты), 8,02 г (27,5 ммоль) 1,3-дибром-5,5-диметилгидантоина (98%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной пропионовой кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 15 мин. Затем добавляют 0,25 ммоль метансульфоновой кислоты в виде 0,1 молярного раствора в пропионовой кислоте (2,5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения пропионовой кислоты (140-141°С) в течение 2,5 ч. Общий выход 72% от теории. Т. пл. 205-208°С.

Пример 7. Получение 9-хлор-о-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) о-карборана (с учетом 99% чистоты), 15,81 г (55,0 ммоль) хлорамина Т тригидрата 98%-ной чистоты (натриевая соль N-хлор-п-толуолсульфонамида тригидрат) и 100 мл 97%-ной муравьиной кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 5 мин. Затем добавляют 0,5 ммоль метансульфоновой кислоты в виде 0,1 молярного раствора в муравьиной кислоте (5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения муравьиной кислоты (100-101°С) в течение 2 ч. Общий выход 69% от теории. Т. пл. 228-232°С.

Пример 8. Получение 9-иод-о-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) о-карборана (с учетом 99% чистоты), 13,0 г (55,0 ммоль) N-иодсукцинимида (95%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной трифторуксусной кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем добавляют 0,05 ммоль метансульфоновой кислоты в виде 0,1 молярного раствора в трифторуксусной кислоте (0,5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения трифторуксусной кислоты (72-73°С) в течение 2,5 ч. Общий выход 71% от теории. Т. пл. 119-121°С.

Пример 9. Получение 9-иод-м-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) м-карборана (с учетом 99% чистоты), 13,0 г (55,0 ммоль) N-иодсукцинимида (95%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной уксусной кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем добавляют 0,05 ммоль трифторметансульфоновой кислоты в виде 0,1 молярного раствора в уксусной кислоте (0,5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения уксусной кислоты (118-120°С) в течение 3,5 ч. Общий выход 69% от теории.

Пример 10. Получение 9-хлор-м-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) м-карборана (с учетом 99% чистоты), 4,4 г (18,4 ммоль) трихлор-N-изоциануровой кислоты (97%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной уксусной кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем добавляют 0,25 ммоль трифторметансульфоновой кислоты в виде 0,1 молярного раствора в уксусной кислоте (2,5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения уксусной кислоты (118-120°С) в течение 4 ч. Общий выход 78% от теории.

Пример 11. Получение 9-бром-м-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) м-карборана (с учетом 99% чистоты), 8,02 г (27,5 ммоль) 1,3-дибром-5,5-диметилгидантоина (98%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной пропионовой кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 15 мин. Затем добавляют 0,25 ммоль метансульфоновой кислоты в виде 0,1 молярного раствора в пропионовой кислоте (2,5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения пропионовой кислоты (140-141°С) в течение 3 ч. Общий выход 71% от теории.

Пример 12. Получение 2-бром-п-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) п-карборана (с учетом 99% чистоты), 8,02 г (27,5 ммоль) 1,3-дибром-5,5-диметилгидантоина (98%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной пропионовой кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 15 мин. Затем добавляют 0,25 ммоль трифторметансульфоновой кислоты в виде 0,1 молярного раствора в пропионовой кислоте (2,5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения пропионовой кислоты (140-141°С) в течение 4,5 ч. Общий выход 70% от теории.

Пример 13. Получение 2-хлор-п-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) п-карборана (с учетом 99% чистоты),

4,4 г (18,4 ммоль) трихлор-N-изоциануровой кислоты (97%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной пропионовой кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем добавляют 0,25 ммоль трифторметансульфоновой кислоты в виде 0,1 молярного раствора в пропионовой кислоте (2,5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения пропионовой кислоты (140-141°С) в течение 5 ч. Общий выход 77% от теории.

Пример 14. Получение 2-хлор-п-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) п-карборана (с учетом 99% чистоты), 7,5 г (55,0 ммоль) N-хлорсукцинимида (98%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной трифторуксусной кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем добавляют 0,5 ммоль метансульфоновой кислоты в виде 0,1 молярного раствора в трифторуксусной кислоте (5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения трифторуксусной кислоты (72-73°С) в течение 6 ч. Общий выход 79% от теории.

Пример 15. Получение 2-иод-п-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) п-карборана (с учетом 99% чистоты), 13,0 г (55,0 ммоль) N-иодсукцинимида (95%-ной чистоты) и 100 мл 97%-ной муравьиной кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем добавляют 0,05 ммоль трифторметансульфоновой кислоты в виде 0,1 молярного раствора в муравьиной кислоте (0,5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения муравьиной кислоты (100-101°С) в течение 5 ч. Общий выход 69% от теории.

Пример 16. Получение 2-бром -п-карборана.

Галогенирование осуществляют аналогично примеру 2.

Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) п-карборана (с учетом 99% чистоты), 9,88 г (55,0 ммоль) N-бромсукцинимида (99%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной изомасляной кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем добавляют 0,5 ммоль серной кислоты в виде 0,1 молярного раствора в изомасляной кислоте (5 мл), включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения изомасляной кислоты (153-154°С) в течение 4 ч. Общий выход 68% от теории.

Для подтверждения идентичности полученных 9(9,2)-галоген-о(м,п)-карборанов использовался метод спектроскопии ЯМР на ядрах ¹H, ¹¹B, ¹³C.