Получение 6-хлоро-4-нитробензо[d][1,3]дитиол-2-она

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Тема:

Получение 6-хлоро-4-нитробензо[d][1,3]дитиол-2-она

Содержание

Введение

Литературный обзор

Общая часть

Экспериментальная часть

Вывод

Список литературы

Приложения

Введение

В работе было синтезировано соединение 6-хлоро-4-нитробензо[d][1,3]дитиол-2-он.

Данное вещество при взаимодействии с NaHS образует 6-хлоро-4-нитробензо[d][1,2,3]тритоил.

Он в свою очередь, легко окисляется до сульфоксида. Сульфоксиды представляют большой интерес, как в промышленности, так и в медицине.

В синтезе важна вторая стадия, получение 2,6-динитро-1,4-дихлоробензол. На этом этапе смешиваем диметилформамид с тионилхлоридом, что называется реактивом Вильсона. Ученые нашли, что ДМФА можно применять в роли растворителя и катализатора. При реакции эквивалентных количеств ДМФА и SOCl₂ в качестве промежуточного продукта был выделен хлорметилендиметилиминийхлорид - гигроскопичное и реакционноспособное твердое вещество с Т_пл 140⁰С, которое также получают при взаимодействии ДМФА с фосгеном, оксалилхлоридом или пятихлористым фосфором. При реакции этого хлорида с кислотами регенерируется катализатора ДМФА.

Также важной стадия является очищение от примесей с помощью колоночной хроматографии. Она позволяет без особого труда разделить разные вещества, так как каждое из них проходит через колонку со своей скоростью. Колоночная хроматография - это хороший метод разделения веществ.

Цель работы - синтезировать 6-chloro-4-nitrobenzo[d][1,3]dinitro-2-one. Также научиться проводить колоночную хроматографию и разбираться в спектрах.

Литературный обзор

Во введении было упомянуто, что полученное вещество может образовывать сульфоксиды, которые имеют широкую область применения.

Сульфоксиды - соединения, содержащие группу, связанную с двумя органическими радикалами. Вязкие бесцветные жидкости или кристаллические вещества; растворяются в спирте и эфире. Диметилсульфоксид (СН₃)₂SО (Тпл 18,5 °С) используют как растворитель. Название ациклических сульфоксидов производят от названия двух органических радикалов, связанных с атомом S, с прибавлением слова "сульфоксид". Название циклических сульфоксидов производят от названия соответствующего гетероцикла с окончанием "оксид", например тииран-1-оксид, или тиацшшопропан-1-оксид.

В природе сульфоксиды найдены в некоторых растениях. Так, S-аллил-L-цистеинсульфоксид CH₂=CHCH₂S(O)CH₂CH(NH₂)COOH (аллиин)-в чесноке, сульфофарен CH₃S(O)CH=CHCH₂NCS-в семенах редиса, изотиоцианаты, содержащие группу SO, формулы CH₃S(O)(CH₂)nNCS (n = 3-11)-в растениях семейства крестоцветных.

Структура молекулы сульфоксида - искаженная пирамида. Для диметилсульфоксида (ДМСО) длины связей 0,147 нм (S--О), 0,182 нм (S--С), 0,108 нм (С--Н), углы OSC 107°, CSC 100°.

Несимметричные сульфоксиды могут существовать в виде энантио-меров. В ИК спектрах сульфоксидов присутствуют характеристические полосы в области 1050-1060 см-1, соответствующие валентным колебаниям группы SO.

Сульфоксиды - очень слабые основания, с сильными кислотами (НСl, HBr, HNO₃) образуют соли типа R₂SO * НСl, под действием различных реагентов, например Н₂О₂, окисляются до сульфонов RR'SO₂. Под действием восстановителей (LiAlH₄, NaBH₄, H₂ в присутствие Pd, дихлорборан, трихлорсилан, Ph₃P и др.) образуют сульфиды RR'S.

Подобно карбонильным соединениям, конденсация сульфоксидов с производными аминов и амидов приводит к сульфимидам RR'S=NR: (R''-алкил, арил, ацил), а при одновременном окислении-к сульфоксимидам RR'S(O)=NR:.

Нуклеофильные свойства сульфоксидов проявляются в легкости образования алкокси- и гидроксисульфониевых солей, что используется, например, для окисления бензил- и аллилгалогенидов или тозилатов:

(СH₃)₂SO + C₆H₆CH₂Hal = [(CH₃)₂S⁺(O)CH₂C₆H₅]Hal^- = (CH₃)₂S + C₆H₅CHO

Под действием ангидридов карбоновых кислот сульфоксиды превращаются в a-ацилтиоэфиры (перегруппировка Пуммерера), в случае несимметричных сульфоксидов ацилоксигруппа присоединяется к наименее замещенному атому С, например:

(CH₃)₂CHS(O)CH₃ + (CH₃CO)₂O : (CH₃)₂СHSCH₂OCOCH₃

Сульфоксиды подвергаются перегруппировке также под действием хлорангидридов карбоновых кислот, изоцианатов, неорганических галогенидов (SiCl4, PC13, SO2C12 и др.), например:

CH₃S(O)CH₃ + С₆Н₅СОСl : CH₃SCH₂Cl + С₆Н₅СООН

При термолизе или в присутствие сильных оснований сульфоксиды способны элиминировать сульфеновые кислоты, например:

PhCH(CH₃)CH(Ph)S(O)Ph : PhC(CH₃)=CHPh + [PhSOH]

Действие гидридов или алкоголятов металлов на сульфоксиды приводит к реакционноспособным a-сульфинилкарбанионам типа RS(O)CH₂ , действие реагентов, генерирующих положительно заряженный галоген (NOCl, РhIСl₂ , Сl₂, Вr₂ и др.), к галогенсодержащим сульфоксида.

Получают сульфоксиды окислением сульфидов (окислители: оксиды азота, растворы Н₂О₂, м-хлорнадбензойная кислота, гипохлориты и др.), используют также реакции сульфинатов и с металлоорганическими соединениями, перегруппировку эфиров сульфеновых кислот, присоединение монооксида S к полиенам.

Сульфиды окисляются последовательно до сульфоксидов и далее до сульфонов:

Среди огромного количества разнообразных окислителей наилучшие результаты для превращения сульфидов в сульфоксиды достигаются при использовании метапериодата натрия NaIO₄, мета-хлорпербензойной кислоты и трет-бутилгипо-хлорита. Среди них наиболее широко применяется 0,5 М водный раствор метапериодата натрия. Этот реагент обеспечивает очень высокую селективность окисления сульфидов до сульфоксидов практически без примеси сульфона и других побочных продуктов, если окисление проводится при 0 ^oС в бинарной системе вода - органический растворитель (метанол, диоксан, ацетонитрил):

Механизм окисления сульфидов периодатом, по-видимому, аналогичен механизму расщепления 1,2-гликолей и включает циклический интермедиат:

Окисление сульфидов до сульфоксидов под действием мета-хлорпербензойной кислоты и трет-бутилгипохлорита можно проиллюстрировать следующими примерами:

Старый способ окисления сульфидов до сульфоксидов 30%-м водным пероксидом водорода в уксусной кислоте или ацетоне при 20 ^оС постепенно утрачивает свое значение в лабораторной практике, так как наряду с сульфоксидом, как правило, образуется некоторое количество сульфона:

Окисление сульфидов до сульфонов осуществляется под действием более сильных окислителей (КМnO₄; НNО₃ и др.):

Окисление сульфидов в жестких условиях при 90-100 ^oС с помощью избытка пероксида водорода или трет-бутилгидропероксида в уксусной кислоте представляет собой самый распространенный метод получения сульфонов:

Сульфоксиды также окисляются до сульфонов при взаимодействии с Н₂О₂ в уксусной кислоте или ацетоне, эта реакция катализируется оксидами ванадия (V₂O₅) и вольфрама (WO₃ и H₂WO₄):

Сульфоксиды принадлежат к числу соединений с трехкоординированным атомом серы. Природа связи серы и кислорода в сульфоксидах в течение длительного времени была предметом дискуссий и острых споров. Для сульфоксидной группы обычно используют два обозначения: S+-O^-, которое подчеркивает диполярную, донорно-акцепторную природу связи серы и кислорода, и S=0, которое указывает на d_p*-p_p*-взаимодействие вакантной d-орбитали серы и неподеленной пары p-электронов кислорода. Длина связи серы и кислорода в сульфоксидах 1,47 Е формально согласуется с двойной связью, поскольку одинарная связь S-O имеет длину 1,69 Е . Однако уменьшение длины связи не может рассматриваться в качестве решающего аргумента образования двойной связи в результате d_p*-p_p*-перекрывания за счет пустой d-орбитали серы. Атом серы как элемент III периода обладает высокой поляризуемостью, поэтому диполярная донорно-акцепторная связь S⁺-О^- с положительным зарядом на сере должна быть значительно короче простой одинарной связи S-O. Величина дипольного момента как функция длины связи не позволяет сделать выбор между двумя этими структурами.

Данные квантово-химических расчетов также не дают однозначного ответа на вопрос о природе связи серы и кислорода в сульфоксидах и сулъфонах, хотя современные расчеты отдают предпочтение структуре с диполярной донорно-акцепторной связью S⁺-О, где дополнительное связывание осуществляется главным образом за счет электростатического взаимодействия серы и кислорода вследствие высокой поляризуемости атома серы.

Несимметричные cульфоксиды хиральны, и роль четвертого заместителя выполняет неподеленная пара электронов атома серы:

Разделение сульфоксидов на энантиомеры впервые было осуществлено Кенионом и Филлипсом в 1926 г. на примере мета- карбоксифенилметилсульфоксида СН₃S(O)-С₆Н₄-СООН-м. Правовращающий энантиомер S-аллил-L-цистеинсульфоксида (S-аллил-сульфинилаланина) является тем соединением, которое определяет запах чеснока. Рацемизация энантиомеров диарил-сульфоксидов и арилалкилсульфоксидов в растворе происходит при 150-200 ^oС, что соответствует энтальпии активации рацемизации DH порядка 35-40 ккал/моль (150-175 кДж/моль), т.е. эти энантиомеры весьма стабильны.

Сульфоксиды относятся к незаряженным амбидентным нуклеофилам. Термин "амбидентный нуклеофил" применяется для нейтральных соединений и анионов, содержащих два нуклеофильных центра. В сульфоксидах это атомы серы и кислорода. Сера является мягким, а кислород - жестким нуклеофильным центром сульфоксидов. Мягкие электрофильные агенты атакуют мягкий атом серы, а жесткие элсктрофилы - жесткий кислородный центр сульфоксида, например:

Амбидентный характер сульфоксидов проявляется и при образовании комплексов с катионами переходных и непереходных металлов. Мягкие катионы Pt⁺², Hg⁺², Ag⁺¹, Рd⁺² и другие координируются по атому серы, жесткие катионы щелочных, щелочноземельных металлов, Al³⁺ и др. - по кислороду.

Сульфоксиды и сульфоны содержат сильные электроноакцепторные группы SO и SO₂. Эти группы за счет сильного -I-эффекта вызывают поляризацию С-Н-связи при a-углеродном атоме, и водород в виде протона отщепляется при действии очень сильных оснований, таких, как гидрид натрия, трет-бутилат калия или бутиллитий:

Универсальными реагентами для получения карбанионов сульфоксидов и сульфонов являются н-C₄H₉Li и (изо-С₃Н₇)₂NLiи, которые позволяют осуществить это превращение при -80 ^oС, когда сульфоксиды конфигурационно стабильны.

Карбанионы сульфоксидов и сульфонов проявляют свойства как сильного основания, так и мощного нуклеофильного агента, и это обстоятельство широко используется в современном органическом синтезе. Сульфинилкарбанионы легко взаимодействуют практически со всеми типами электрофильных реагентов, некоторые из наиболее важных превращений с участием сульфинилкарбанионов приведены ниже. Карбанионы сульфоксидов подвергаются алкилированию под действием первичных алкил-галогенидов, для вторичных и третичных RX преобладающим направлением оказывается элиминирование:

Например:

Трехчленное кольцо оксиранов раскрывается при взаимодействии с карбанионами сульфоксидов по S_N2-механизму с высокой региоселективностью с образованием g-гидроксисульфоксидов:

Наиболее важной в органическом синтезе является конденсация сульфинилкарбанионов со сложными эфирами, которая приводит к 1,3-кетосульфоксидам с очень высокими выходами (Э.Кори, М.Чайковский, 1965 г.):

Механизм этой реакции подобен сложноэфирной конденсации Кляйзена . Анион ДМСО (димсиланион) первоначально присоединяется по карбонильной группе сложного эфира с образованием анионного тетраэдрического интермедиата. Этот интермедиат стабилизируется в результате отщепления этилат-иона с образованием 1,3-кетосульфоксида. 1,3-Кетосульфоксиды представляют собой достаточно сильные С-Н-кислоты с рК_а в интервале 10-12. Второй эквивалент димсиланиона переводит их в сопряженный анион, протонирование аниона с помощью минеральной кислоты регенерирует 1,3-кетосульфоксид. Ниже приведены наиболее типичные примеры конденсации димсиланиона со сложными эфирами моно- и дикарбоновых кислот:

Наибольшее значение имеют диметилсульфоксид и нефтяные сульфоксиды, получаемые окислением серосодержащих компонентов нефти. Нефтяные сульфоксиды-экстрагенты редких металлов, флотореа-генты цветных металлов.

Общая часть

Была предоставлена одна методика получения вещества, которая состоит из трех стадий, не учитывая хроматографию. Вся методика новая, не отработанная.

От руководителя получили п-хлорфенол (10 г). Провели реакцию нитрования нитрующей смесью. Реакция по типу электрофильного ароматического замещения в фенолах.

Далее продукт отфильтровали и перекристаллизовали из этанола. Выход 2,6-динитро-4-хлорофенола составил 80% от теоретического, в методике не было процентного выхода. Так как реакция сопровождалась выделением тепла, смесь периодически охлаждали льдом. Выход получили хороший, можно сказать, что справились с данным этапом. Некоторые физические свойства хлор п-хлорфенола: М=128,56, Т_пл=43,2⁰С, Т_кип=220⁰С. Молекула п-хлорфенола является плоской.

Далее была проведена реакцию нуклеофильного замещения SNAr в активированное кольцо. Кольцо имеет электроноакцепторные заместители две группы -NO₂ (сильный активатор в орто-, пара- положение в нуклеофильном замещении). Реакция по типу присоединения - отщепления.

К 2,6-динитро-4-хлорофенолу добавили SOCl₂ с ДМФА, реакцию проводили при нагревании, с обратным холодильником. После отогнали растворитель на ротационном испарителе. И затем перекристаллизовали из этанола. Выход составил 43,13% от теоретического и 59,74% от методики. Но после того как маточный раствор постоял еще неделю, удалось выделить еще 0,75г вещества, итого получилось 7,19г, это 66,7% от методики. Физические свойства вещества: Т_пл= 90⁰-100⁰С. Измеренная температура Т_пл=93⁰-97⁰C, что совпадает со справочной. Особое внимание уделяли тому, что реакционную смесь сначала нужно было греть 10 минут с перемешиванием, а затем мешать без нагрева почти 6 часов. Это для того, чтобы реакция прошла полностью, и выход продукта был максимальным.

Потом сухое вещество растворили в ДМСО и после смешали с раствором диметилдитиокарбамидом натрия.

Так как в ходе реакции выделялся газ NO₂, то на холодильник надели хлоркальциевую трубку. После проведения реакции, раствор экстрагировали в хлороформе, и чтобы осушить использовала Na₂SO₄. И далее также на ротационный испаритель. Схема реакции приведена ниже.

Очевидно, что вещество содержало много примесей, которые совсем не нужны. Для этого проводилась колоночная хроматография. Хроматография (от греч. чсюмб -- цвет) -- метод разделения, анализа и физико-химического исследования смесей веществ, основан на различной подвижности компонентов исследуемого объекта в тонком слое вещества: распределении веществ между двумя фазами -- неподвижной и подвижной (элюент). Разработан в 1903 году русским биохимиком М.С.Цветом, название метода связано с первыми экспериментами по хроматографии, в ходе которых Михаил Цвет разделял ярко окрашенные растительные пигменты: он показал, что при пропускании смеси растительных пигментов через слой бесцветного сорбента индивидуальные вещества располагаются в виде столбика с отдельно окрашенными зонами -- хроматограммы. Колоночная хроматография - метод разделения, в котором сорбентом заполняют специальные трубки - колонки, а подвижная фаза движется внутри колонки благодаря перепаду давления.

После того, как вещества были разделены и высушены, переместили в пиницилинку. Для идентификации вещества сняли спектры до хроматографии и после (приложение №3). Видна существенная разница. В спектре до проведения разделения больше пиков, следовательно, имеются примеси. А в полученном спектре после хроматографии - четыре пика, не считая растворитель. Можно сказать, что вещество чистое.

Анализируя спектр синтезируемого вещества, можно выделить основные пики: 8,3204, 8,3136 ррm и 7,8033, 7,7965 ррm - они соответствуют химическим сдвигам протонов в положении 2 и 6 в бензольном кольце (относительно заместителей, если считать от хлора).Справочные данные: пики 8,35 и 7,81 ррm. Водород, который находится между группами -Сl и -NO₂, выходит в области 8,35 ррm, что соответствует нашему спектру - 8,3204 и 8,3136 ррm. Также можно сказать и про второй протон: справочные данные-7,82 ррm совпадают с полученными -7,8033 и 7,7965 ррm. Выходит в спектре дуплет, потому что ядро протона имеет спины 1/2 и -1/2, а они расходятся.

Также определили температуры плавления веществ:

Итак, основная работа выполнена. Получили вещество, которое предполагалось синтезировать.

Экспериментальная часть

Первая стадия. В работе использовали лабораторную посуду: трехгорлую круглодонную колбу (250мл), капельная воронка, обратный холодильник, воронки. Также пользовались механической мешалкой.

Исходные реагенты:

Собрали установку, приведенную в приложении №1 (рис. 1), которая состоит из трехгорлой круглодонной колбы, соединенной с обратным холодильником и капельной воронкой, все закрепили на штативе. При постоянном перемешивании механической мешалкой в смесь пара-хлорфенола с концентрированной серной кислотой приливали по каплям азотную кислоту. Реакционная смесь нагревалась, поэтому периодически охлаждали колбу в ледяной бане. Приблизительно через 5 минут после окончания прибавления кислоты, смесь вылили на лед. После того как лед растаял, осадок отфильтровали. Сырой продукт перекристаллизовали несколько раз из этанола. Выход промежуточного продукта составил 80% от теоретического. В методике не было выхода. Продукт: С₆Н₃N₂ClO₅ (М=218,5 г/моль, m=13,8г).

Вторая стадия. В этой стадии понадобились: плоскодонная коническая колба (250 мл), обратный холодильник, магнитная мешалка. Исходные реагенты:

Установка, которая использовалась, приведена в приложении №1 (рис.2). В отдельной колбе смешали диметилфорамид с бензолом, перед этим пропустили ДМФА через Аl₂O₃, что бы прочистить и просушить его. Хлористый тионил смешала с динитро-пара-хлорфенолом и далее добавили смесь ДМФА с бензолом. Реакционную смесь нагревали 10 минут с обратным холодильником, затем перемешивали 6 часов без нагревания. После перенесли смесь в круглодонную колбу (250 мл), и на ротационном испарителе отгоняли ДМФА и бензол. Масса вещества 17,8 г. Далее перекристаллизовали его из этанола. Выход продукта 43,13% от теоретического, 59,74% от методики, (1,4-дихлоро 2,6-динитробензол С₆Н₂Сl₂N₂O₄, М=237г/моль, m=6,44г). После того, как маточный раствор постоял неделю выделилось еще 0,75г вещества, и того получилось 7,19г, 66,7% от методики.

Третья стадия. Использованная посуда и оборудование: плоскодонная колба (250 мл), обратный холодильник, хлоркальциевая трубка, магнитная мешалка.

Исходные реагенты:

В плоскодонной колбе (100 мл), смешали 1,4-дихлоро 2,6-динитробензол с 23,85 мл ДМСО. Во второй колбе растворили диметилдитиокарбамид натрия в таком же количестве ДМСО. Далее медленно соединили смеси в плоскодонной конической колбе (250 мл) при 0⁰С и мешали 30 минут (рисунок установки приложение №1 рис.3) . Реакция сопровождалась выделением NO₂, поэтому на обратный холодильник присоединили хлоркальциевую трубку. Оставили реакционную смесь на неделю. После этого смешали с водой (180 мл) и экстрагировали смесь в хлороформе три раза (60мл x3). Далее соединили экстракты и снова трижды экстрагировали водой по 200 мл. Затем осушали с помощью Na₂SO₄, в течении 40мин. После чего смесь отфильтровали, и осушили на ротационном испарителе. Масса вещества составила 5,39г. Но вещество содержит много примесей и поэтому проводили колоночную хроматографию, которую можно считать отдельной стадией.

Четвертая стадия. Колоночная хроматография с силикагелем. Взвесили 40,05г силикагеля. Внесли в колонку, затем налили элюент, состоящий из гексана и бензола в равном соотношении. Подождали когда весь раствор пройдет через колонку и уже когда граница была близка к уровню силикагеля, налили раствор полученного вещества, взятом в количестве 2г, с 10 мл хлороформа. Остальное вещество перенесли в пеницилинку. Вещество разошлось по колонке, каждая примесь имела свой цвет, что облегчало процесс разделения. Сливали растворы по разным колбам, получилось 7 растворов. Далее, провели пластиночную хроматографию: вещества нанесли на пластинку параллельно с образцом, и опустили ее в растворитель, вещества «пошли» вверх. Соединения, которые остановились на уровне с образцом, объединили в колбу и перенесли на ротационный испаритель. ( Фотография пластинок с веществом - приложение №2). Масса вещества 0,62 г.

Выводы

В данной работе синтезировали 6-хлоро-4-нитробензо[d][1,3]дитиол-2-он. Для очистки вещества от примесей провели колоночную хроматографию. Что бы идентифицировать соединение сняли спектры Н¹. Научились работать со спектрами. Сравнили полученные данные со справочными, отметили, что пики вышли в таких же областях, которые указаны в литературе. Также научились подбирать посуду для синтеза, что немало важно.

сульфоксид молекула синтезирование хроматография

Список литературы

· А. Гордон, Р. Форд Спутник химика. Физико-химические свойства, методики.- Издательство «Мир» Москва 1976 275-290 с.

· А.Ф. Елеев. Общая органическая химия, пер. с англ., т. 5, М., 1983, с. 253-318.

· J.Org. Chem., Vol.44, No. 2, 1979

· Patent; F. HOFFMANN-LA ROCHE AG; WO2005/67933; (2005); (A1) English

· J.A.C.S. 122(21), 1990, 7748-7756 C.D.Kitchie, S.Lu

· http://allchem.ru/pages/encyclopedia/5690

· http://www.chem.msu.su/rus/teaching/brusova/7.html

· http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_6353.html

Размещено на Allbest.ru