СПОСОБ РЕГИОСЕЛЕКТИВНОГО СИНТЕЗА 9-ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫХ О-КАРБОРАНА
METHOD FOR REGIOSELECTIVE SYNTHESIS OF 9-HALOGEN DERIVATIVES OF O-CARBORANE

Изобретение относится к технологии получения борорганических соединений, в частности галогенкарборанов, а именно 9-хлор-, 9-бром-, 9-иод-о-карборанов, которые могут быть использованы в качестве структурных единиц для синтеза супрамолекулярных систем. Кроме того, иодпроизводные карборана находят свое применение как рентгеноконтрастные вещества и субстраты в борнейтронозахватной терапии, а 9-галоген-о-карбораны являются исходными соединениями для дальнейшего синтеза 9-фтор-, 9-алкил- и 9-арил-о-карборанов, представляющих интерес для наноэлектроники.
n
2n+1
n
2n+1
Способ получения 9-галоген-о-карборанов включает взаимодействие о-карборана с N-галогенимидами в среде кислотного органического растворителя при температуре кипения растворителя с последующим выделением конечного продукта. В качестве кислотного органического растворителя используются линейные одноосновные жидкие органические кислоты алифатического ряда R-COOH, где R=Н, CH, CF, n=1-3. В качестве N-галогенимидов используются N-галогенсукцинимиды, 1,3-дигалоген-5,5-диметилгидантоины, тригалогенизоциануровые кислоты, N-галогенарилсульфонамиды, N-галогенфталимиды, где галоген = Сl, Br, I; арил=фенил, толил.
4
3
2
2
3
3
3
3
В известном способе получения 9-галоген-о-карборанов методом замены атома водорода на атом галогена взаимодействием o-карборана с элементарным галогеном в среде тетрахлорида углерода (CCl), трихлорметана (СНСl), метиленхлорида (CHCl) или дисульфида углерода (СS) в присутствии кислот Льюиса: АlСl, АlBr, FеCl (электрофильное галогенирование) синтез ведут при температуре кипения растворителя (Захаркин Л.И., Охлобыстин О.Ю., Семин Г.К., Бабушкина Т.А. Изв. АН СССР, сер. хим., 1965, №10. С.1913; Станко В.И., Климова А.И., Климова Т.П. Ж. общ. хим., 1967, т.37, С.2236).
К недостаткам данного способа можно отнести следующее:
- обработка о-карборана галогенами в условиях электрофильного галогенирования приводит к моно-, ди-, три-, тетра- и поли-В-галогенпроизводным, что требует тщательного разделения конечных продуктов реакции;
- сравнительно низкий выход целевого продукта, а именно 9-галоген-о-карборана;
- использование галогенсодержащих кислот Льюиса, не идентичных по внедряемому в карборановое ядро галогену, приводит к образованию смешанных галогенпроизводных о-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 хлорзамещенных карборанов фотохимическим галогенированием под действием УФ-облучения (АС СССР №1657506, МПК C07F 5/02, С08K 5/55, 1991).
К недостаткам данного способа относится следующее:
- низкий выход целевого продукта;
- получение смеси моно-, ди- и полигалоген-о-карборана;
- использование элементарных галогенов представляет опасность как для окружающей среды, так и для персонала;
- галогенсодержащие растворители являются озоноразрушающими средствами.
2
2
9
10
2
9
12
-
-
Наиболее близким по технической сущности и принятым нами в качестве прототипа является способ получения нидо-9,11-Х-7,8-СВН  анионов (X=Сl, Br, I) с применением галогенсукцинимидов (Santos E.C., Pinkerton A.B., Kinkead S.A., Hurlburt P.K., Jasper S.A., Sellers C.W., Huffman J.C., Todd L.J. Polyhedron, 2000, 19, 1777), в котором реакцию галогенирования нидо-7,8-СВН  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 недостатком данного способа является образование ряда побочных продуктов реакции.
Задача данного изобретения заключается в создании простого региоселективного, экологически чистого, пожаро- и взрывобезопасного способа получения 9-галоген-о-карборанов с высоким выходом основных продуктов.
n
2n+1
n
2n+1
Поставленная задача достигается тем, что предложен способ получения 9-галоген-о-карборанов, включающий взаимодействие о-карборана с галогенирующими агентами в среде кислотного органического растворителя с последующим выделением конечного продукта, отличающийся тем, что в качестве кислотного органического растворителя применяют линейные одноосновные жидкие органические кислоты алифатического ряда R-COOH, где R=Н, СН, СF, n=1-3, при этом в качестве галогенирующих агентов используются N-галогенимиды: N-галогенсукцинимиды, 1,3-дигалоген-5,5-диметилгидантоины, тригалогенизоциануровые кислоты, N-галогенарилсульфонамиды и их натриевые соли, N-галогенфталимиды, где галоген = Сl, Br, I; арил = фенил, толил, а процесс ведут при температуре кипения кислотного органического растворителя в течение 4-8 часов.
Выходы конечных продуктов составляют 60-80% от теории на очищенный (перекристаллизованный из н-гептана) продукт, причем образуются исключительно моно-(9)-галогенпроизводные о-карборана в соответствии с уравнениями реакций:
где X=Cl, Br, I.
где X=Cl, Br.
где X=Cl, Br.
3
где X=Cl, Br; R'=H, CH.
где X=Cl, Br.
Достигнутый технический результат состоит в упрощении синтеза 9-галоген-о-карборанов за счет следующих факторов: реакция не экзотермична, не требует катализатора, проводится на воздухе (без использования инертной атмосферы), исключается стадия абсолютирования растворителей, экологически безопасна (не используются галогенированные растворители), процесс пожаро- и взрывобезопасен.
Синтез 9-галогенпроизводных о-карборана реакцией галогенирования проводят при перемешивании реакционной массы в круглодонной колбе, снабженной мешалкой, термометром, обратным холодильником в воздушной атмосфере. В колбу загружают расчетное количество о-карборана, галогенирующего агента и кислотного ораганического растворителя, реакционную массу перемешивают в течение 10 минут, затем доводят температуру реакционной массы до температуры кипения органического растворителя, продолжительность процесса составляет от 4 часов для бромпроизводных и до 8 часов для хлорпроизводных. После охлаждения до температуры окружающей среды реакционную массу обрабатывают дистиллированной водой, в результате чего целевой продукт выпадает в осадок, а образующиеся в процессе реакции амиды и имиды остаются в водно-кислотном растворе. Осадок фильтруют, дважды промывают дистиллированной водой, отжимают и сушат в вакууме (30 мм рт.ст.) при 70°С. Затем продукт перекристаллизовывают из кипящего н-гептана (т. кип. 97-99°С).
Ниже приведены примеры осуществления предлагаемого способа.
Пример 1. 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 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-иод-о-карборана.
Галогенирование осуществляют аналогично примеру 1.
Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) о-карборана (с учетом 99% чистоты), 13,0 г (50,0 ммоль) N-иодсукцинимида (95%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной уксусной кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения уксусной кислоты (118-120°С) в течение 6 часов. Общий выход 68% от теории. Т. пл. 119-121°С.
Пример 3. Получение 9-хлор-о-карборана.
Галогенирование осуществляют аналогично примеру 1.
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 включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения уксусной кислоты (118-120°С) в течение 4 часов. Общий выход 79% от теории. Т. пл. 228-232°С.
Пример 4. Получение 9-хлор-о-карборана.
Галогенирование осуществляют аналогично примеру 1.
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 включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения пропионовой кислоты (140-141°С) в течение 4 часов. Общий выход 76% от теории. Т. пл. 228-232°С.
Пример 5. Получение 9-бром-о-карборана.
Галогенирование осуществляют аналогично примеру 1.
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 включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения пропионовой кислоты (140-141°С) в течение 4 часов. Общий выход 72% от теории. Т. пл. 205-208°С.
Пример 6. Получение 9-хлор-о-карборана.
Галогенирование осуществляют аналогично примеру 1.
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 включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения муравьиной кислоты (100-101°С) в течение 4 часов. Общий выход 69% от теории. Т. пл. 228-232°С.
Пример 7. Получение 9-иод-о-карборана.
Галогенирование осуществляют аналогично примеру 1.
Загружают 7,3 г (50,0 ммоль) о-карборана (с учетом 99% чистоты), 13,0 г (50,0 ммоль) N-иодсукцинимида (95%-ной чистоты) и 100 мл 99%-ной трифторуксусной кислоты. Реакционную массу перемешивают при комнатной температуре в течение 10 мин. Затем включают обогрев и реакционную массу перемешивают при температуре кипения трифторуксусной кислоты (72-73°С) в течение 5 часов. Общий выход 71% от теории на перекристаллизованный (из н-гептана) продукт. Т. пл. 119-121°С.
1
11
13
Для подтверждения идентичности полученных 9-галогенпроизводных о-карборанов использовался метод спектроскопии ЯМР на ядрах Н, В, С.