BIULETYN
        Wydziału Farmaceutycznego
   Akademii Medycznej w Warszawie

          Biul. Wydz. Farm. AMW, 2004, 1, 1-9
             http://biuletynfarmacji.wum.edu.pl/


Wersja pdf do pobrania
 

METODY OTRZYMYWANIA SOLI DIARYLOJODONIOWYCH I JODYLOARENÓW
ORAZ ICH ZASTOSOWANIE W SYNTEZIE ORGANICZNEJ

Barbara Krassowska-Świebocka, Piotr Rudzki

Otwórz bibliografię

w osobnym oknie

Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Wydział Farmaceutyczny Akademii Medycznej w Warszawie,
ul. Banacha 1, 02-097 Warszawa
tel./faks 572-06-99, e-mail:
domac@farm.amwaw.edu.pl

Otrzymany 19.02.2004; zaakceptowany 29.02.2004; zamieszczony 30.03.2004. 

STRESZCZENIE
Organiczne związki poliwalencyjnego jodu są znane od ponad wieku, jednak dopiero w okresie ostatnich 20 lat znalazły szersze zastosowanie. Obecnie prowadzone są na szeroką skalę interdyscyplinarne badania dotyczące różnych właściwości poszczególnych klas tych związków (charakter wiązań, właściwości spektroskopowe, fotochemiczne i elektrochemiczne).
Z farmaceutycznego punktu widzenia bardzo obiecujące są ich właściwości bakteriobójcze. Organiczne związki jodu(V) są stosowane w syntezach substancji leczniczych jako łagodne i selektywne utleniacze alkoholi. W szeroko rozumianej ochronie zdrowia mieści się propozycja zastosowania pochodnych jodylowych do przyjaznego dla środowiska rozkładu silnie toksycznych, grożących katastrofą ekologiczną, związków fosforoorganicznych stosowanych jako broń chemiczna (np. sarin, soman, tabun, VX).
W pracy omówiono metody syntezy soli diarylojodoniowych i jodyloarenów oraz przykładowe zastosowania tych związków w syntezie organicznej, a także zestawiono nomenklaturę organicznych pochodnych jodu.
SŁOWA KLUCZOWE: sole diarylojodoniowe, jodyloareny

Received 19.02.2004; accepted 29.02.2004; published 30.03.2004.

SUMMARY
FORMATION of diaryliodonium salts and iodyloarenes and their use in modern organic synthesis
Organic hypervalent iodine compounds are known for more than a century, but their importance in modern organic synthesis has been noticeably grown during last 20 years. Recently a lot of results on different properties of each class of these compounds were reported (types of bonds, spectroscopy, photochemistry and electrochemistry).
From the pharmaceutical point of view antimicrobial properties seem to be promising. Organic compounds of pentavalent iodine are used in pharmaceutical synthesis as mild and selective oxidants of alcohols. The idea of environment-friendly deactivation of ecologically dangerous phosphoorganic compounds (e.g. sarin, soman, tabun, VX) by iodyloderivates can also be connected with general healthcare problems.
Topics presented in the paper are: synthesis of diaryliodonium salts and iodyloarenes, their use in modern organic synthesis and nomenclature of organic iodine derivates.
KEYWORDS: diaryliodonium salts, iodylarenes

 

1. Wprowadzenie

W Katedrze i Zakładzie Chemii Organicznej na Wydziale Farmaceutycznym Akademii Medycznej w Warszawie prowadzone są badania mające na celu opracowanie nowych metod syntezy aromatycznych pochodnych wielowartościowego jodu oraz oksydatywnych metod jodowania związków aromatycznych. Zapoczątkowane w 1990 roku badania przyniosły plon w postaci publikacji i prac doktorskich [1].

Niniejszy artykuł ma na celu zapoznanie Czytelnika z metodami syntezy i przykładowymi zastosowaniami soli diarylojodoniowych i jodyloarenów oraz z nomenklaturą organicznych pochodnych jodu.

Organiczne związki poliwalencyjnego jodu są znane od ponad wieku, jednak dopiero w okresie ostatnich 20 lat znalazły one szersze zastosowanie. Podwaliny pod rozwój tej gałęzi chemii położył C. Willgerodt. Otrzymał on w 1885 r. pierwszy organiczny związek jodu(III) - (dichlorojodo)benzen jako produkt reakcji jodobenzenu z ICl3, zaś w roku 1886 r. w wyniku przepuszczenia strumienia gazowego chloru przez chloroformowy - roztwór PhI [2]. Prace tego autora [3] doprowadziły do syntezy dużej liczby nowych związków organicznych należących do pochodnych poliwalencyjnego jodu.

W latach 80-tych liczba publikacji dotyczących omawianych połączeń była większa niż we wszystkich poprzednich latach łącznie [4]. W następnej dekadzie zainteresowanie wśród naukowców tym tematem jeszcze wzrosło. Szybki rozwój dokonał się w dziedzinie praktycznego wykorzystania pochodnych wielowartościowego jodu w syntezie organicznej.

Obecnie prowadzone są na szeroką skalę dalsze interdyscyplinarne badania dotyczące różnych właściwości organicznych pochodnych wielowartościowego jodu. Koncentrują się one zarówno na aspektach związanych z charakterem tworzonych wiązań, jak i na spektroskopii, fotochemii i elektrochemii tych związków. Prowadzone są także badania dotyczące ich właściwości biologicznych (poszukuje się zwłaszcza związków o działaniu przeciwdrobnoustrojowym) [5].

2. Nomenklatura organicznych związków poliwalencyjnego jodu

Jod w związkach organicznych wchodzi w skład kilkunastu grup funkcyjnych. Wartościowość jodu w tych połączeniach wynosi I, III lub V (dotychczas nie otrzymano związków organicznych jodu VII). W Tabeli 1 wymieniono wybrane grupy, które w nomenklaturze podstawnikowej określa się zawsze w postaci przedrostków [4, 6].

Tabela 1. Grupy funkcyjne określane tylko w postaci przedrostków

Grupa

Przedrostek

Przykład

Wzór

Nazwa

-I

jodo

2img01.gif

1-chloro-4-jodobenzen

-IO

jodozylo
(dawniej jodozo)

2img02.gif

1-chloro-4-jodozylobenzen

-I(OH)2

dihydroksyjodo

2img03.gif

(dihydroksyjodo)benzen

-IX2

a)   X jest chlorowcem: dichlorowcojodo, itd

2img04.gif

(dichlorojodo)benzen

b)   X jest grupą acylową: analogicznie do diacetoksyjodo

2img05.gif

(diacetoksyjodo)benzen

-IO2

jodylo
(dawniej jodoksy)

2img06.gif

1-chloro-4-jodylobenzen

Nazwy kationów typu R1R2I+ tworzy się traktując te kationy jako podstawione pochodne nieistniejącego jonu jodoniowego H2I+. Kationy jodoniowe (podobnie jak inne kationy "-oniowe") mają pierwszeństwo przy wyborze grupy głównej. Przykłady nazw soli diarylojodoniowych (symetrycznych i niesymetrycznych) podano w Tabeli 2.

Tabela 2. Przykłady nomenklatury soli diarylojodoniowych

Wzór

Nazwa

2img07.gif

wodorosiarczan 4,4'-dichlorodifenylojodoniowy
lub wodorosiarczan bis(4-chlorofenylo)jodoniowy

2img08.gif

bromek 4,4'-dietylodifenylojodoniowy
lub bromek bis(4-etylofenylo)jodoniowy

2img09.gif

jodek 4-etylofenylo(3-nitrofenylo)jodoniowy
lub jodek 4-etylo-3'-nitrodifenylojodoniowy

 

3. Metody otrzymywania jodyloarenów

Pierwsza synteza jodyloarenów została przeprowadzona w ostatnich latach XIX wieku, kiedy C. Willgerodt otrzymał jodylobenzen w wyniku destylacji (dichlorojodo)benzenu z parą wodną [3]. Obecnie znanych jest kilkanaście metod otrzymywania tej klasy związków polegających na utlenianiu jodoarenów lub aromatycznych pochodnych jodu(III). Nie wszystkie metody są uniwersalne, często ich zastosowanie ograniczone jest przez niewielką liczbę poddających się reakcji substratów.

Do najważniejszych i najczęściej stosowanych metod otrzymywania jodyloarenów należą reakcje: utleniania jodoarenów za pomocą KBrO3 lub (lepiej) NaIO4 oraz utleniania (dichlorojodo)arenów za pomocą NaOCl.

3.1. Utlenianie aromatycznych związków jodu(III)

3.1.1. Utlenianie (dichlorojodo)arenów za pomocą chloranu(I) sodu [3]

3img01.gif

Mimo że ta metoda należy do najstarszych, jest obecnie jedną z dwóch najczęściej stosowanych do otrzymywania jodyloarenów. Dodawany w niewielkiej ilości lodowaty kwas octowy pełni rolę katalizatora.

3.1.2. Dysproporcjonowanie jodozyloarenów [2, 7]

3img02.gif

Jodozyloareny miesza się z wodą i destyluje z parą wodną w celu usunięcia powstających lotnych jodopochodnych. Reakcja przebiega z wytworzeniem hydratów:

3img02a.gif
3img02b.gif

Wady tej metody to długi czas trwania oraz fakt, że tylko połowa substratu jest przekształcana w ArIO2. Na tej samej zasadzie przebiega reakcja utleniania jodoarenów przez układ HNO3 / (CF3CO)2O do odpowiednich bis(trifluoroacetoksy)jodoarenów, które są następnie hydrolizowane do jodozyloarenów i destylowane z parą wodną [8].

3.1.3. Utlenianie kwasów jodozylobenzoesowych gazowym chlorem [3]

3img03.gif

W wyniku reakcji otrzymuje się mieszaniny kwasów: jodylobenzoesowego (główny produkt), jodozylobenzoesowego (nieprzereagowany substrat) i jodobenzoesowego (w niewielkiej ilości). Kwas jodobenzoesowy ekstrahuje się eterem, rozdział pozostałych dwóch kwasów oparty jest na różnicy termicznej trwałości ich soli amonowych. Do utleniania kwasów jodozylobenzoesowych można zastosować także KMnO4.

3.2. Utlenianie jodoarenów

3.2.1. Utlenianie bromianem(V) potasu [9]

3img04.gif

Jest to, obok utleniania (dichlorojodo)arenów chloranem(I) sodu, najważniejsza ze stosowanych obecnie metod otrzymywania jodyloarenów. Wadą jej są uboczne reakcje bromowania substratów, dlatego wyższe wydajności uzyskuje się dla arenów zdezaktywowanych (np. kwas o-jodylobenzoesowy otrzymano z wydajnością 90%, a jodylobenzen - 50%). Należy także zwrócić uwagę na fakt, że KBrO3 jest substancją rakotwórczą, zaś w trakcie trwania reakcji wydziela się obficie gazowy Br2.

3.2.2. Utlenianie stężonym kwasem chlorowym(V) [10]

3img05.gif

Reakcja jest bardzo wygodna preparatywnie, ale jej wadą jest długi czas trwania. Jodoaren zalewa się stężonym kwasem chlorowym(V) i pozostawia na 2 dni. Uzyskany produkt oczyszcza się przemywając wodą i alkoholem.

3.2.3. Utlenianie chloranem(I) sodu w układzie dwufazowym [11]

3img06.gif

Reakcja wymaga zastosowania katalizatora przeniesienia międzyfazowego (np. wodorosiarczanu tetra-n-butyloamoniowego - PTC). Proces prowadzi się w temperaturze pokojowej przez 30 minut. W analogicznych reakcjach zamiast chloranu(I) sodu stosuje się kwas chlorowy(I) [11, 12] lub mieszaninę chloranu(I) wapnia i wodorotlenku wapnia 1:2 (tzw. wapno chlorowane) [3].

3.2.4. Utlenianie bromem cząsteczkowym w środowisku zasady sodowej [3]

3img07.gif

Właściwym utleniaczem jest powstający in situ bromian(I) sodu NaOBr. Mieszanina reakcyjna musi być chłodzona, aby uniknąć ubocznych procesów bromowania. Zastosowanie katalizatora przeniesienia międzyfazowego nie jest konieczne.

3.2.5. Utlenianie gazowym chlorem w pirydynie [13, 14]

3img08.gif

Gazowy chlor jest przepuszczany przez wodno-pirydynowy roztwór odpowiedniego jodoarenu. Metoda ta jest modyfikowana w celu syntezy cyklicznych pochodnych kwasów 2-jodylokarboksylowych [15]. Do utleniania kwasów 2-jodo-5-metylobenzoesowego i 2-jodo-5-nitrobenzoesowego jako rozpuszczalnik stosuje się chloroform, a uzyskany produkt miesza się przez 1 dzień z 5% roztworem NaOCl.

3img09.gif
3img10.gif

3.2.6. Utlenianie kwasem nadoctowym [3, 16]

3img11.gif

Oprócz niekwestionowanych zalet (wysokie wydajności, reakcja jednoetapowa), metoda ma także wady: kwas nadoctowy jest niebezpiecznym i drogim odczynnikiem, w czasie ogrzewania mieszaniny po dodaniu substratów może nastąpić niekontrolowane pienienie. Innymi nadtlenkami używanymi w reakcjach utleniania jodoarenów do jodyloarenów są kwas nadbenzoesowy [17] oraz kwas nadtlenosiarkowy H2SO5 (kwas Caro) [3, 18, 19].

3.2.7. Utlenianie jodanem(VII) potasu (metoda opracowana w Katedrze Chemii Organicznej AM w Warszawie) [20, 21, 22]

3img12.gif

Reakcja ma dwustopniowy mechanizm: jodoareny są utleniane do ArIO, które następnie, podczas wrzenia, ulegają termicznemu dysproporcjonowaniu do ArI i ArIO2. Powstające produkty charakteryzują się wysoką czystością (96-99%). W czasie reakcji jodan(VII) jest redukowany do jodanu(V). Kwas 2-jodobenzoesowy jest utleniany do pochodnej jodu(III), do tzw. kwasu 2-jodozylobenzoesowego, którego stabilna cykliczna forma to 1-hydroksy-1,2-benzjodoksol-3(1H)-on.

Aby otrzymać kwas 2-jodylobenzoesowy, należy tę reakcję prowadzić we wrzącym roztworze wodnym używając jako substratu soli sodowej kwasu 2-jodobenzoesowego. Po zakwaszeniu otrzymuje się bardzo czysty produkt (98-99%), którego stabilna cykliczna forma to 1-tlenek 1-hydroksy-1,2-benzjodoksol-3(1H)-onu (IBX).

3img13.gif

3img14.gif

tzw. kwas
2-jodozylobenzoesowy

tzw. kwas
2-jodylobenzoesowy (IBX)

4. Metody otrzymywania soli diarylojodoniowych

Symetryczne sole diarylojodoniowe mają dużo szersze zastosowanie w syntezie organicznej [4, 23]. Najważniejsze i ogólnie stosowane reakcje syntezy związków z tej klasy, opisane dokładniej w punktach 4.1.1. i 4.1.2., zachodzą według mechanizmu substytucji elektrofilowej (SE). Substratami mogą być zarówno areny aktywowane, jak i zawierające podstawniki II klasy (np. kwas benzoesowy). Należy jednak zaznaczyć, że otrzymanie soli diarylojodoniowych zawierających grupy hydroksylowe lub aminowe metodami bezpośrednimi przedstawionymi poniżej nie jest dotychczas możliwe. Konieczne jest wcześniejsze zabezpieczenie grup -OH i -NH2 podstawnikami acylowymi.

Przy odpowiednim doborze substratów metody stosowane do otrzymywania soli niesymetrycznych mogą być używane także do syntezy soli symetrycznych. Większość soli jodoniowych jest stabilna - jod(III) nie wchodzi w reakcje ani z elektrofilami, ani ze słabymi nukleofilami. Dzięki temu możliwe jest ich przekształcenie w inne sole za pomocą procesów nitrowania, utleniania itd. Oprócz metod ogólnych, istnieje także wiele reakcji stosowanych do otrzymywania konkretnych soli, także zawierających jako podstawniki układy heterocykliczne.

Aniony mają bardzo duży wpływ na reaktywność zsyntetyzowanych soli diarylojodoniowych, więc ich wymiana jest ważnym zagadnieniem. Najwyższe wydajności reakcji arylowania (najczęstsze zastosowanie soli diarylojodoniowych w syntezie) uzyskano wówczas, gdy anion soli nie posiadał (praktycznie) właściwości nukleofilowych [1]. Konieczność wymiany anionu zachodzi także wówczas, gdy powstała sól jest rozpuszczalna w środowisku reakcji (np. ArI+Ar' OH- w wodzie). Natomiast zastąpienie jonu HSO4- przez I- lub Br- ułatwia wydzielenie otrzymanych produktów. Wymiana anionu polega zwykle na rozpuszczeniu w odpowiednim rozpuszczalniku (np. w H2O, C2H5OH, 90% HCOOH), a następnie wytrąceniu gorzej rozpuszczalnej soli stosownym odczynnikiem nieorganicznym (np. KI, NaBr). Inną możliwością jest reakcja soli jodoniowej z zasadą (dotychczasowy anion zostaje zamieniony na OH-), dodatek kwasu o pożądanym anionie daje w rezultacie oczekiwaną sól.

W Katedrze i Zakładzie Chemii Organicznej AM w Warszawie opracowano metodę polegającą na oksydatywnej wymianie anionów [1, 24]. Reakcja umożliwia zastąpienie jonu Br- przez inne aniony (np. tosylany i wodorosiarczany).

4img01.gif

Do soli rozpuszczonej we wrzącym metanolu dodawano silny kwas zawierający docelowy anion (X= BF4, TsO, CF3COO, HSO4, NO3, Cl). Po dodaniu perhydrolu Br- jest utleniany do wolnego bromu, który jest wychwytywany przez cykloheksen. Podobne reakcje można także przeprowadzić dla chlorków i jodków diarylojodoniowych.

Mimo, że sole diarylo- i heteroarylojodoniowe należą do lepiej poznanych klas organicznych pochodnych wielowartościowego jodu, nadal publikowane są nowatorskie metody ich syntezy [25]. Z najnowszych osiągnięć należałoby wymienić: elektrochemiczne utlenianie ArI na anodzie węglowej [26], reakcję soli winylojodoniowych ze związkami litoorganicznymi [27] oraz syntezę tetraaryloboranów diarylojodoniowych z (diacetoksyjodo)arenów i tetraaryloboranów sodu (lub potasu) w środowisku kwasu octowego [28].

4.1. Metody otrzymywania soli symetrycznych

4.1.1. Utlenianie arenów jodanem(V) potasu w środowisku H2SO4/AcOH/Ac2O [29]

4img02.gif

Reakcja jest prowadzona w temperaturze pokojowej. Mechanizm jest prawdopodobnie następujący: wodorosiarczan jodylu, IO2+ HSO4-, wytworzony w reakcji jodanu(V) potasu i kwasu siarkowego reaguje z substratem aromatycznym dając pochodną jodylową. Protonowana grupa jodylowa w powstałym jodyloarenie reaguje z kolejnym arenem tworząc sól jodoniową. Potwierdzeniem takiej hipotezy jest wynik reakcji ArIO2 i ArH w środowisku H2SO4 - produktem jest odpowiedni wodorosiarczan diarylojodoniowy. W czasie reakcji nie zaobserwowano wydzielania tlenu, które wynika ze stechiometrii. Masson i Race postulują, że 15% wyjściowego arenu jest utleniane do nienasyconych kwasów alifatycznych [30].

4.1.2. Utlenianie arenów jodanem(V) potasu lub tlenkiem jodu(V) w środowisku jodu cząsteczkowego i H2SO4 [29, 30, 31]

4img03.gif

Reakcja jodanu(V) potasu i jodu cząsteczkowego w kwasie siarkowym prowadzi do powstania siarczanu jodozylu, (IO)2SO4. Tworzy on z substratem aromatycznym protonowany jodozyloaren, który kondensuje z nadmiarem arenu formując odpowiednią sól diarylojodoniową. Do wytworzenia siarczanu jodozylu z jodu cząsteczkowego mogą być stosowane zamiast KIO3 lub I2O5 także inne utleniacze, np. HNO3/ H2SO4.

4.1.3. Utlenianie arenów trifluorooctanem jodu(III) [29]

4img04.gif

Reakcja biegnie z dobrą wydajnością zwłaszcza dla substratów wielokrotnie podstawionych. Powstającym w tej reakcji związkiem przejściowym, możliwym do izolacji, są bis[(trifluoroacetoksy)jodo]areny. Podobną reakcję przeprowadzono zastępując trifluorooctanu jodu(III) przez trichlorooctan jodu(III) [32].

4.1.4. Reakcja związków litu z trans-1-chloro-2-(dichlorojodo)etylenem [33, 34, 35]

4img05.gif

Ta metoda jest użyteczna do otrzymywania bis-heteroaromatycznych soli jodoniowych. Mechanizm jest odmienny niż w poprzednich punktach, ponieważ jest to reakcja nukleofilowego podstawienia do atomu I(III). Dobre wydajności uzyskano dla X = O, S i Se. Dzięki powyższej reakcji można także otrzymać sole bis(2-naftylo)- i bis(9-antranylo)jodoniowe.

4.1.5. Reakcja związków krzemu z fluorkiem jodu(III) [36]

4img06.gif

Wiązania pomiędzy pierścieniem aromatycznym i krzemem mogą być rozszczepiane przez związki jodu(III), m.in. przez fluorek jodu(III). Produktami przejściowymi tej reakcji są (difluorojodo)areny, a końcowymi odpowiednie symetryczne sole diarylojodoniowe.

4.1.6. Reakcja soli arenodiazoniowych z jodkiem rtęci(II) i jodkiem potasu [37]

4img07.gif

W wyniku reakcji pomiędzy chlorkami arenodiazoniowymi, jodkiem rtęci(II) i jodkiem potasu powstają jodortęciany arenodiazoniowe. Podczas przechowywania w roztworze wodnym rozkładają się one do pentajododirtęcianów(II) diarylojodoniowych, jodopochodnych i pochodnych bifenylu. Powyższa metoda jest stosowana także do syntezy cyklicznych soli jodoniowych. Powstawanie pochodnych bifenylu świadczy o rodnikowym mechanizmie tej reakcji.

4.2. Metody otrzymywania soli niesymetrycznych

4.2.1. Reakcja aromatycznych pochodnych I(III) z arenami w środowisku H2SO4 lub Ac2O [38]

4img08.gif

Kondensacja dwóch cząsteczek jodozylobenzenu w kwasie siarkowym prowadzi do powstania wodorosiarczanu 4-jododifenylojodoniowego. W 1894 r. Hartmann i Meyer przeprowadzili powyższą reakcję otrzymując jako pierwsi na świecie niesymetryczną sól diarylojodoniową. Kondensacja związków aromatycznych z arylowymi pochodnymi I(III), ArIO lub ArI(OAc)2, jest generalnie najdogodniejszym sposobem syntezy soli niesymetrycznych. Jodozyloareny posiadające podstawniki odciągające elektrony z pierścienia aromatycznego reagują z arenami w obecności kwasu siarkowego, natomiast podstawione grupami elektronodonorowymi łatwiej tworzą sole jodoniowe w obecności bezwodnika octowego lub CF3COOH.

4.2.2. Kondensacja jodozylo- i jodyloarenów w zasadowym środowisku wodnym [39]

4img09.gif

Kondensacja jodozylo- i jodyloarenów zachodzi w środowisku wodnym w obecności NaOH lub (lepiej) Ag2O. Reakcję zapoczątkowuje atak anionu wodorotlenowego na I(V):

4img10.gif

Powstały jon, który reaguje formalnie jak arylowy karboanion, atakuje I(III). Produktami końcowymi są sole diarylojodoniowe w postaci jodanów(V) lub wodorotlenków. Frakcję rozpuszczalną w wodzie wytrąca się dodając NaBr lub KI.

4.2.3. Reakcja związków metaloorganicznych z (dichlorojodo)arenami [36]

4img11.gif

Reakcja związków metaloorganicznych z (dichlorojodo)arenami zachodzi według mechanizmu substytucji nukleofilowej. Substratem mogą być organiczne związki litu lub kadmu. W pewnych przypadkach reakcja może przebiegać dalej, prowadząc do powstania Ar3I (nadmiar ArLi reaguje z powstałymi solami diarylojodoniowymi).

4.2.4. Reakcja związków litu z trans-1-chloro-2-(dichlorojodo)etylenem [34]

4img12.gif

Niewielka modyfikacja metody stosowanej do otrzymywania soli symetrycznych (pkt. 4.1.4.) umożliwia syntezę soli niesymetrycznych. Po reakcji z pierwszym substratem litoorganicznym wydziela się chlorek trans-I-(2-chlorowinylo)fenylojodoniowy, który poddaje się reakcji z drugim związkiem litoorganicznym.

4.2.5. Reakcja (dichlorojodo)arenów ze związkami merkuroorganicznymi w środowisku wodnym (metoda Willgerodta) [3, 40]

4img13.gif

W pierwszym etapie reakcja jest prowadzona w temperaturze pokojowej w środowisku wodnym, drugi etap polega na wytrąceniu soli jodoniowych za pomocą KI. Skulski i Wroczyński znacznie udoskonalili powyższą metodę, dzięki czemu stało się możliwe otrzymanie, po raz pierwszy, chlorku 4-dimetyloaminodifenylojodoniowego [41].

4.2.6. Reakcja (diacetoksyjodo)arenów ze związkami aromatycznymi [42]

4img14.gif

Bezpośrednia reakcja sprzęgania pomiędzy (diacetoksyjodo)arenami i arenami zachodzi w środowisku kwasu trifluorooctowego lub trifluorometanosulfonowego.

4.2.7. Reakcja kwasów aryloborowych z (diacetoksyjodo)benzenem [43]

4img15.gif

Reakcja kwasów aryloborowych z (diacetoksyjodo)benzenem umożliwia regioselektywne otrzymywanie soli diarylojodoniowych. Substratami boroorganicznymi mogą być zarówno podstawione grupą -B(OH)2 aromatyczne węglowodory, jak i heterocykliczne związki aromatyczne. Produkty uzyskano z wydajnościami 74-97%.

4.2.8. Utlenianie jodoarenów i sprzęganie ze związkami aromatycznymi (metoda opracowana w Katedrze Chemii Organicznej AM w Warszawie) [24]

4img16.gif

Jodoareny mogą być utleniane in situ za pomocą CrO3 lub K2Cr2O7 do pochodnych jodu(III), a następnie sprzęgane ze związkami aromatycznymi. Przejściowy produkt reakcji nie jest izolowany. Wprowadzanym po utlenieniu arenem mogą być heterocykle (np. tiofen), co jest dodatkowym atutem tej metody. Bardzo dobre rezultaty uzyskuje się nawet wówczas, gdy jodoaren zawiera podstawniki elektronoakceptorowe dezaktywujące układ aromatyczny (podstawniki II klasy). Jako utleniacze w analogicznych reakcjach były stosowane nadsiarczan potasu lub nadtlenek baru [29].

W 2001 r. w Katedrze Chemii Organicznej AM w Warszawie zaproponowano przyjazną dla środowiska reakcję, utleniając jodoareny w analogicznych warunkach za pomocą NaBO3.H2O [44].

5. Właściwości fizykochemiczne jodyloarenów i soli diarylojodoniowych

Jodyloareny są bezwonnymi, bezbarwnymi ciałami stałymi nierozpuszczalnymi w większości znanych odczynników (z wyjątkiem wody). Ta ostatnia właściwość wynika z ich polimerycznej budowy. Rozpuszczanie następuje w wyniku zachodzących reakcji: w wodzie powstają hydraty, natomiast w DMSO i w gorącym nitrobenzenie (w temperaturze ok. 170 oC) zachodzi redukcja do odpowiednich jodopochodnych. Związki te nie są stabilne termicznie i wybuchają podczas ogrzewania w nieobecności rozpuszczalnika (podawane w literaturze temperatury topnienia są temperaturami wybuchu).

Jodyloareny są związkami amfoterycznymi, tworzą sole z mocnymi kwasami i z mocnymi zasadami. Najważniejszą cechą z punktu widzenia zastosowań w syntezie są ich właściwości utleniające. Ze względu na gorszą rozpuszczalność aktywność utleniająca jodyloarenów jest niższa niż związków jodu(III), mimo niższych potencjałów półogniw tych ostatnich. Dzięki temu jednak ArIO2 znalazły zastosowanie jako selektywne utleniacze.

Sole diarylojodoniowe, oprócz nielicznych wyjątków, są związkami bardzo stabilnymi (wymagają jednak przechowywania w ciemności). Duży wpływ na ich trwałość mają aniony, rozkładowi sprzyjają zwłaszcza: BH4- (sole stabilne w próżni, wybuchają pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze pokojowej), HS-, S2- oraz CN-. Sole jodoniowe rozpuszczają się w polarnych rozpuszczalnikach (alkohole, DMF, CH2Cl2, niektóre także w wodzie). Mogą być oczyszczane za pomocą krystalizacji. Temperatura topnienia soli diarylojodoniowych jest temperaturą ich rozkładu.

6. Zastosowanie jodyloarenów i soli diarylojodoniowych w syntezie związków o znaczeniu biologicznym

Wraz z dynamicznym rozwojem chemii organicznych pochodnych poliwalencyjnego jodu rośnie liczba związków z tej grupy stosowanych w syntezie organicznej. Ze względu na obszerność tematu, którego pełne omówienie przekraczałoby ramy niniejszej pracy, opisano tylko wybrane reakcje dotyczące związków o znaczeniu biologicznym. Przykłady reakcji zaczerpnięto z książki Anastasiosa Varvoglisa "Hypervalent Iodine in Organic Synthesis" [23].

6.1. Reakcje jodyloarenów

Kilka związków z tej grupy związków znalazło zastosowanie jako odczynniki w syntezie. Najczęściej używane są: jodylobenzen, cykliczna forma kwasu 2-jodylobenzoesowego (IBX) i jej pochodna triacetoksylowa (odczynnik Dessa-Martina). Ten ostatni związek jest otrzymywany przez acetylowanie cyklicznej formy kwasu 2-jodylobenzoesowego (w obecności kwasu p-toluenosulfonowego jako katalizatora) [45]. Nazwa systematyczna odczynnika Dessa-Martina to 1,1,1-triacetoksy-1,2-benzjodoksol-3(1H)-on.

6img01.gif

Jest on coraz powszechniej używany w syntezie organicznej w reakcjach utleniania alkoholi, w tym także biologicznie czynnych, do odpowiednich związków karbonylowych. Jego zaletą, w porównaniu do innych jodyloarenów, jest dużo lepsza rozpuszczalność, np. w CH2Cl2, CHCl3, CH3CN. Jest on także bardziej bezpieczny w stosowaniu od IBX. Ostatnio firmy Merck i Fluka zaoferowały stabilizowaną formę IBX (zawiera ona dodatki kwasów benzoesowego i izoftalowego), co jest konkurencyjne cenowo z bardzo drogim odczynnikiem Dessa-Martina.

Przykładem utleniania alkoholi do aldehydów jest przedstawiona poniżej reakcja, w której geraniol jest przekształcany do geranialu.

6img02.gif

Proces prowadzi się w temperaturze pokojowej z niewielkim nadmiarem utleniacza. Grupy hydroksylowe są selektywnie przekształcane odpowiednio w aldehydy i ketony, nawet w obecności innych grup wrażliwych na utlenianie (sulfidów, eterów, enoli, furanu, itd.). Dlatego odczynnik Dessa-Martina jest jedynym utleniaczem możliwym do zastosowania w wielu reakcjach. Dodanie niewielkiej ilości wody powoduje zwiększenie wydajności (alkohole I- i II-rzędowe są utleniane w 70-94%).

Kwas 3-jodylobenzoesowy jest wykorzystywany w syntezie steroidów. Pozwala on w obecności N,N,N',N'-tetrametylo-N"-t-butylo-guanidyny na selektywne utlenianie II-rzędowych nitrozwiązków do odpowiednich ketonów.

6img03.gif

Reakcja ta ma duże znaczenie w syntezie steroidów, ponieważ powyższy utleniacz nie reaguje z grupami hydroksylowymi, ani z wiązaniami podwójnymi. Nitrozwiązki I-rzędowe są utleniane w analogicznej reakcji do aldehydów, ale wydajności są dużo niższe.

Kwas 3-jodylobenzoesowy umożliwia także jednoetapowe przekształcenie steroidów z 3-ketonów do 1,4-dien-3-onów. Katalizatorem jest 2,2'-difenylodiselenek.

6img04.gif

Dla różnych substratów wydajności wahają się w granicach 75-90%. Zastosowanie kwasu 3-jodylobenzoesowego ułatwia izolację otrzymanego steroidu z mieszaniny poreakcyjnej.

Jodylobenzen w gorącym nitrobenzenie utlenia związki aromatyczne do odpowiednich chinonów. Zastosowanie katalitycznych ilości acetylooctanu wanadu umożliwia syntezę chinonoimin z fenotiazyny lub z innych zbliżonych do niej budową związków heterocyklicznych.

6img05.gif

Bardzo ciekawa jest reakcja jodylobenzenu i jego pochodnych zawierających różne podstawniki w pierścieniu benzenowym z tlenkiem węgla prowadząca do otrzymywania pochodnych kwasu benzoesowego, na przykład kwasu p-aminobenzoesowego (PABA).

6img06.gif

Zachodzi ona z dobrymi wydajnościami, w łagodnych warunkach (ciśnienie atmosferyczne, 40-50 oC). Katalizatorem są związki palladu, np. Na2PdCl4.

Pod wpływem odczynnika Dessa-Martina liczne diolowe pochodne cyklopropyloetylenu ulegają, w wyniku utleniania, przegrupowaniu do formylodihydrooksepin.

6img07.gif

Reakcja zachodzi także dla związków zawierających jedną grupę hydroksymetylową zastąpioną przez -CN.

6.2. Reakcje soli diarylojodoniowych

Sole te należą do najlepiej zbadanych klas organicznych związków wielowartościowego jodu. Ich głównym zastosowaniem syntetycznym są reakcje arylowania związków zawierających heteroatomy. Wykorzystując je można przeprowadzić C-, O-, N- i S-arylowanie.

6img08.gif

Reakcja ma charakter rodnikowy, przebiega z homolitycznym rozpadem wiązania między nukleofilem i solą diarylojodoniową.

Synteza N-fenyloksyftalimidu jest jednym z przykładów O-arylowania związków zawierających w cząsteczce atom azotu.

6img09.gif

Jednak w syntezie związków o potencjalnej czynności biologicznej najważniejsze są reakcje O-arylowania fenoli. Łagodne warunki i wysokie wydajności tych reakcji umożliwiają otrzymywanie eterowych pochodnych tyrozyny.

Stosując sole diarylojodoniowe można uzyskać takie pochodne kwasu antranilowego, których synteza jest utrudniona przez przeszkody steryczne.

6img10.gif

Substratami reakcji N-arylowania mogą także być sole heteroarylojodoniowe.

Jonowe związki zawierające nukleofilowy atom siarki są bez trudności arylowane za pomocą soli diarylojodoniowych. W przypadku związków o budowie niejonowej, np. sulfidów, S-arylowanie zachodzi wolniej. Uzyskiwane w reakcji tiofenolu z solami diarylowymi sole sulfoniowe, PhS+Ar2 X-, są użytecznymi fotochemicznymi inicjatorami reakcji kationowej polimeryzacji.

6img11.gif

Sole diarylojodoniowe mogą być również stosowane jako substraty do otrzymywania niektórych związków hetero- i karbocyklicznych. Np. podstawione w pozycji 3-pochodne indolu można syntezować w reakcji trifluorooctanu 3-indolilofenylojodoniowego z organicznymi związkami litu.

6img12.gif

W powyższej reakcji można uzyskać indol podstawiony zarówno resztami alkilowymi, jak i aromatycznymi z wydajnościami w granicach 61-71%.

Obecnie jedną z najlepszych metod otrzymywania bifenylenu jest reakcja z wykorzystaniem soli jodoniowych. Produktem przejściowym powstającym w czasie stapiania jest 2,2'-dijodobifenyl. W wyniku analogicznych reakcji otrzymano także kilka podstawionych pochodnych bifenylenu.

6img13.gif

Sole diarylojodoniowe zawierające grupę hydroksylową lub karboksylową w położeniu orto w stosunku do jodu(III) mogą być przekształcane w sole wewnątrzcząsteczkowe. Przykładem takiego związku jest cykliczny 2-(fenylojodoniowy)benzoesan.

6img14.gif

Podczas ogrzewania cząsteczka cyklicznego benzoesanu rozkłada się z wydzieleniem CO2 i jodobenzenu. Produktem przejściowym jest benzyn, który może być cennym substratem umożliwiającym przeprowadzenie reakcji Dielsa-Aldera (cykloaddycja 2+4).

7. Podsumowanie

W ostatnich latach zwiększyło się zainteresowanie związkami organicznymi zawierającymi jod(V). Wiąże się to z coraz szerszym zastosowaniem w syntezie organicznej odczynnika Dessa-Martina (triacetoksylowa pochodna kwasu o-jodylobenzoesowego). Jest on jednym z najbardziej łagodnych i wygodnych w użyciu odczynników służących do utleniania alkoholi [46], także tych o istotnym znaczeniu biologicznym, np. steroidów. Bardzo interesująca jest również propozycja zastosowania pochodnych jodylowych do przyjaznego dla środowiska rozkładu silnie toksycznych związków fosforoorganicznych (np. sarin, soman, tabun, VX) składowanych w wielu krajach świata i grożących katastrofą ekologiczną [47].

 


Wykaz stosowanych skrótów

Ac - acetyl
acac - acetylooctan
AM - Akademia Medyczna
ArI - jodoaren
ArIO - jodozoaren
ArIO2 - jodyloaren
DMSO - ang. dimethylsulphoxide, dimetylosulfotlenek
DMF - dimetyloformamid
IBX - 1-hydroksy-1,2-benzjodoksol-3(1H)-on, tzw. kwas 2-jodozylobenzoesowy
PhI - jodobenzen
 
 

8. Bibliografia

1.

L. Skulski, Organic Iodine (I, III and V) Chemistry: 10 Years of Development at the Medical University of Warsaw, Poland,

Molecules 2000, 5, 1331. Internet: http://www.mdpi.org/molecules/papers/51201331.pdf

2.C. Willgerodt, J. Prakt. Chem. 1886, 33, 154.
3.C. Willgerodt, Die organischen Verbindungen mit mehrwertigem Jod, Enke Verlag, Stuttgart, 1914.
4.A. Varvoglis, The Organic Chemistry of Policoordinated Iodine, VCH, NY, 1992.
5.P.J. Stang, V.V. Zhdankin, Chem. Rev. 1996, 96, 1123.
6.PTChem, Nomenklatura związków organicznych, PWN, Warszawa, 1992.
7.H.J. Lucas, E.R. Kennedy, Org. Synth. 1942, 22, 72.
8.D.H.R. Barton, W.B. Motherwell, S.Z. Zard, Tetrahedron Lett. 1983, 24, 5227.
9.A. Banerjee, G.C. Banerjee, S. Bhattacharya, S. Banerjee, H. Sammadar, J. Indian Chem. Soc. 1981, 58, 605-607.
10.R.L. Datta, J.K. Chourny, J. Am. Chem. Soc. 1916, 38, 1079.
11.T.O. Bayraktaroglou, M.A. Gooding, S.F. Khatib, M. Lee, M. Kourouma, R.G. Landot, J. Org. Chem. 1993, 58, 1264.
12.J. Goliński, P. Kaźmierczak, L. Skulski, komunikat na Zjeździe PTChem, Kraków, 4-7.IX.1991.
13.G. Ortoleva, Gazz. Chim. Ital. 1900, 30, 1.
14.Z. Gakovic, K.J. Morgan, J. Chem. Soc. B. 1967, 416.
15.A.R. Katritzky, G.P. Savage, J.K. Gallos, H.D. Durst, Org. Prep. Proced. Int. 1989, 21, 157.
16.J.G. Sharefkin, H. Saltzman, Org. Synth. 1963, 43, 65.
17.J. Baeseken, Ch. Schneider, Proc. Acad. Science 1932, Amsterdam, 35, 1140; Chem Abstr. 1933, 27, 1331.
18.R.J. Kennedy, A.M. Stock, J. Org. Chem. 1960, 25, 1901.
19.M. Frigerio, M. Sanragostino, S. Sputore, J. Org. Chem. 1999, 64, 4537.
20.

Ł. Kraszkiewicz, praca magisterska: Nowa metoda otrzymywania jodyloarenów przy użyciu nadjodanu sodowego jako utleniacza,

Wydz. Farm., A.M. Warszawa 1999/2000.

21.P. Kaźmierczak, L. Skulski, Ł. Kraszkiewicz, Molecules 2001, 6, 881.
Internet: http://www.mdpi.org/molecules/papers/61100881.pdf
22.Ł. Kraszkiewicz, L. Skulski, ARKIVOC 2003 (vi), 120.
Internet: http://www.arkat-usa.org/ark/journal/2003/Varvoglis/AV-657A/AV-657A.htm
23.A. Varvoglis, Hypervalent iodine in organic synthesis, Academic Press, San Diego, 1997.
24.a) P. Kaźmierczak, L. Skulski, Synthesis 1995, 1027.
b) P. Kaźmierczak, L. Skulski, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1997, 70, 219.
25.V.V. Zhdankin, P.J. Stang, Recent Developments in the Chemistry of Polyvalent Iodine Compounds, Chem. Rev. 2002, 102, 2523.
26.M.J. Peacocok, D. Pletcher, Tetrahedron Lett. 2000, 41, 8995.
27.T. Kitamura, M. Kotani, Y. Fujiwara, Tetrahedron Lett. 1996, 37, 3721.
28.M. Ochiai, M. Toyonari, T. Sueda, Y. Kitagawa, Tetrahedron Lett. 1996, 37, 8421.
29.M.F. Beringer, R.A. Falk, M. Karniol, I. Lillien, G. Masullo, M. Mausner, E. Sommer, J. Am. Chem. Soc. 1959, 81, 342.
30.I. Masson, E. Race, J. Chem. Soc. 1937, 1718.
31.M.F. Beringer, M. Drexler, E.M. Gindler, C.C. Lumpkin, J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 2705.
32.A. Dibbo, L. Stephenson, T. Walker, W.K. Warburton, J. Chem. Soc. B. 1961, 2645.
33.S. Gronowitz, B. Holm, Synth. Commun. 1974, 4, 63.
34.F.M. Beringer, R.A. Nathan, J. Org. Chem. 1970, 35, 2095.
35.F.M. Beringer, R.A. Nathan, J. Org. Chem. 1969, 34, 685.
36.H.J. Frohn, wyniki niepublikowane (na podstawie [4]).
37.J. Cornforth, D.D. Ridley, A.F. Sierakowski, D. Uguen, T.W. Wallace, P.B. Hitchcock, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1 1982, 2317.
38.C. Hartmann, V. Meyer, Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1894, 27, 426.
39.R.A. Wiley, M.A. Salter, J. Med. Chem. 1966, 9, 228.
40.C. Willgerodt, Ber. Dtsch. Chem. Ges. (a) 1897, 30, 56; (b) 1898, 31, 915.
41.L. Skulski, P. Wroczyński, Bull. Polish Acad. Sci., Chem. 1999, 47, 231.
42.A. Shah, V.W. Pike, D.A. Widdowson, J. Chem. Soc, Perkin Trans. 1 1997, 2463.
43.M.A. Carroll, V.W. Pike, D.A. Widdowson, Tetrahedron Lett. 2000, 41, 5393.
44.A. Kryska, L. Skulski, Molecules 2001, 6, 875.
Internet: http://www.mdpi.org/molecules/papers/61100875.pdf
45.D.B. Dess, J.C. Martin, J. Org. Chem. 1983, 48, 4155.
46.S.D. Meyer, S.I. Schreiber, J. Org. Chem. 1993, 59, 7549.
47.H. Morales-Rijas, R.A. Moss, Chem. Rev. 2002, 102, 2497.