Способ получения сульфоксидов каталитическим окислением тиоэфиров

Способ получения сульфоксидов каталитическим окислением тиоэфиров

Реферат

Изобретение относится к области органической химии, а именно к получению сульфоксидов, которые широко применяются в синтезе органических соединений, в том числе биологически активных соединений /Прилежаева Е.Н. Сульфоны и сульфоксиды в полном синтезе биологически активных природных соединений. // Успехи химии, 2000, т.69, с.403-446/.

Основным подходом к получению сульфоксидов является окисление сульфидов (тиоэфиров) в мягких условиях, обычно при низких температурах, строго дозируя используемый окислитель и подбирая оптимальный растворитель.

Используется Н₂О₂ в различных средах и с различными каталитическими добавками, органические пероксикислоты, гидропероксиды, различные типы галогенсодержащих окислителей, в том числе свободные галогены, азотная кислота и другие азотсодержащие окислители, свободный кислород и другие более сложные реагенты /Прилежаева Е.Н. Химия сульфоксидов и сульфонов // В: Получение и свойства органических соединений серы, Л.И. Беленький, ред., Москва, Химия, 1998/. Большинство процессов имеют ряд недостатков, таких как (1) дороговизна (и непригодность для промышленного применения), (2) недостаточная экологическая безопасность, (3) невысокая селективность: на практике зачастую сложно остановить окисление на первой стадии, и большинство каталитических способов окисления приводят к образованию примесей сульфона в продуктах реакции. Поэтому поиск новых высокоселективных каталитических систем на основе доступных, не загрязняющих окружающую среду металлов (желательно биоэлементов, таких как Zn, Fe) и дешевых нетоксичных окислителей (например, пероксида водорода) является важной и актуальной задачей.

В данной работе предлагается новый способ получения сульфоксидов, основанный на процессе селективного окисления сульфидов пероксидом водорода, катализируемом соединениями цинка.

Предложен способ окисления тиоэфиров в сульфоксиды пероксидом водорода, в котором в качестве катализатора используют соли цинка, например, Zn(NO₃)₂·6Н₂О, или координационные соединения цинка, например гомохиральный микропористый координационный полимер состава: [Zn₂BDC·(L-Lac)·DMF]·(DMF)_x, где BDC - дианион терефталевой кислоты, Z-Lac - дианион молочной кислоты, DMF - диметилформамид.

Несмотря на значительное число способов получения сульфоксидов /Прилежаева Е.Н. Химия сульфоксидов и сульфонов // В: Получение и свойства органических соединений серы, Л.И. Беленький, ред., Москва, Химия, 1998/, в литературе до сих пор не было описано примеров окисления сульфидов (тиоэфиров) в сульфоксиды, катализируемых соединениями цинка. Наши исследования показали, что соли цинка способны катализировать селективное окисление тиоэфиров до сульфоксидов пероксидом водорода. Так, при использовании в качестве катализатора Zn(NO₃)₂·6Н₂О окисление алкиларилсульфидов пероксидом водорода происходило с конверсией и селективностью до 100% (таблица 1). Это гомогенный процесс; для растворения Zn(NO₃)₂·6Н₂О и пероксида водорода необходимо использовать полярные растворители. Количественное превращение может достигаться при использовании не более 10 моль.% катализатора; оптимальное соотношение окислитель: субстрат равняется двум.

Кроме того, показано, что микропористый координационный полимер [Zn₂BDC·(L-Lac)·DMF]·(DMF)_X (1·(DMF)_X, x=0÷1) /Dybtsev D.N., Nuzhdin A.L., Chun H, Bryliakov K.P., Talsi E.P., Fedin V.P., Kim K. A Homochiral Metal-Organic Material with Permanent Porosity, Enantioselective Sorption Properties, and Catalytic Activity // Angew. Chem. Int. Ed., 2006, v.45, p.916-920/ катализирует селективное гетерогенное окисление тиоэфиров до сульфоксидов дешевым и экологически безопасным окислителем - пероксидом водорода. Результаты гетерогенного окисления сульфидов, катализируемого [Zn₂BDC·(L-Lac)·DMF]·(DMF)_x (х=0÷1), представлены в таблице 2. В экспериментах по каталитическому окислению тиоэфиров, имеющих небольшие заместители (PhSMe, p-BrPhSMe) с 1·(DMF)_x (х=1; ≈0.4) наблюдаются высокие конверсии и высокая селективность окисления после 16 ч каталитической реакции, тогда как тиоэфиры с объемными заместителями (эксперимент №3) окисляются с низкой конверсией. Размерная селективность в каталитических реакциях объясняется тем, что реакция главным образом происходит внутри микропор каркаса 1·(DMF)_x. Поскольку PhCH₂SPh в силу больших размеров не может проникать в поры 1·(DMF)_x, его окисление может происходить только на поверхности полимера, что приводит к чрезвычайно низким величинам конверсии. Раствор, полученный перемешиванием 1·(DMF)_0.4 в 2 мл CH₂Cl₂ в течение 12 ч с последующим отделением твердой фазы с помощью фильтрования и центрифугирования, не проявляет каталитической активности в окислении тиоэфиров. Таким образом, при перемешивании не происходит вымывания активных центров, что также является подтверждением гетерогенного характера каталитической реакции. Каждая формульная единица [Zn₂] способна выполнять не менее 30 каталитических циклов. Полимер 1·(DMF)_x, из которого практически полностью удален DMF (х=0), демонстрирует низкую конверсию в окислении сульфидов. Вероятно, это связано с частичным разрушением каркаса и схлопыванием пор при удалении значительного количества диметилформамида. Несмотря на то, что полимер 1·(DMF)_x обладает свойством гомохиральности (т.к. при его синтезе была использована оптически чистая L-молочная кислота), в результате окисления получается рацемическая смесь сульфоксидов. В случае необходимости рацемическая смесь может быть разделена на чистые энантиомеры любым из известных способов (кристаллизацией, разделением через диастереомеры либо с помощью энантиоселективной хроматографии). Отметим, что пористый координационный полимер [Zn₂BDC·(L-Lac)·DMF]·(DMF)_x - первый пример представителя класса координационных полимеров, демонстрирующий каталитическую активность в реакциях сульфоксидирования.

Таким образом, установлено, что соединения цинка способны катализировать окисление тиоэфиров пероксидом водорода с конверсией и селективностью до 100%. В реакциях окисления каталитическую активность проявляют как соли, так и координационные соединения цинка.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Получение рацемических сульфоксидов окислением соответствующих тиоэфиров пероксидом водорода с Zn(NO₃)₂·6H₂O в качестве катализатора

Сульфид (тиоэфир) (0.15 ммоль) растворяли в 1.5 мл полярного растворителя (CH₃CN, МеОН либо Н₂О), добавляли катализатор (10-20 мол.%) и Н₂О₂ (0.3 ммоль) и перемешивали в течение 3-24 ч при комнатной температуре. По окончании реакции удаляли растворитель. Продукты реакции выделяли с помощью колоночной хроматографии (SiO₂, элюент: гексан/этилацетат) и анализировали с помощью спектроскопии ¹H ЯМР в CCl₄ или CDCl₃.

В таблице 1 приведены более подробно условия получения рацемических сульфоксидов окислением соответствующих сульфидов пероксидом водорода с применением соли цинка Zn(NO₃)₂·6H₂O в качестве катализатора.

Пример 2.

Получение рацемических сульфоксидов окислением соответствующих тиоэфиров (сульфидов) пероксидом водорода с [Zn₂·BDC(L-Lac)·DMF]·(DMF)_x в качестве катализатора.

Смесь сульфида (0.1 ммоль, 1 экв), 1·(DMF)_x ([Zn₂·BDC·(L-Lac)·DMF]) и окислителя H₂O₂ (в виде 90% или 30% водного раствора) либо аддукта Н₂О₂ с мочевиной H₂O₂·(NH₂)₂CO (UHP) растворяли в CH₂Cl₂ или CH₃CN (либо их смеси различного состава). Смесь, общий объем которой был 2 мл, перемешивали 16 ч при комнатной температуре. Полимер отфильтровывали и сорбированный сульфоксид экстрагировали метанолом (3×3 мл). Экстракт и фильтрат комбинировали, удаляли растворитель и DMF в вакууме. Определяют оптический выход и соотношение продуктов реакции определяли с помощью спектроскопии ¹Н ЯМР с Eu(hfc)₃ в CCl₄ или CDCl₃.

В таблице 2 приведены более подробно условия получения рацемических сульфоксидов окислением соответствующих сульфидов пероксидом водорода с применением координационного соединения цинка [Zn₂·BDC·(L-Lac)·DMF]·(DMF)_x в качестве катализатора.

Таблица 1
Окисление сульфидов пероксидом водорода, катализируемое Zn(NO3)2·6Н2О
№	Сульфид	Количество катализатора, мол. %	Время реакции, ч	Растворитель	Конверсия [%][a]	Селективность [%][b]
1	PhSMe	20	3	CH3CN	97	100
2	PhSMe	10	16	CH3CN	100	95
3	PhSMe	20	3	H2O	93	95
4	PhSMe	10	16	Н2O	100	97
5	PhSMe[c]	10	3	CH3CN	71	100
6	p-MePhSMe	10	16	CH3CN	77	100
7	PhSCH2Ph	10	16	CH3CN	80	100
8	p-BrPhSMe	20	3	CH3CN	100	99
9	p-BrPhSMe	10	24	CH3CN	100	100
10	PhSi/Pr	20	3	CH3CN	100	100
11	PhSi/Pr	20	3	MeOH	100	100
12	2-naphthylSMe	20	3	CH3CN	100	100
13	CH3S(CH2)4OH	20	3	CH3CN	98	100
14	CH3S(CH2)4OH[c]	20	3	CH3CN	100	100

Условия реакции: сульфид (0.15 ммоль), растворитель (1.5 мл), окислитель 30% Н₂О₂ (0.3 ммоль), перемешивание при комнатной температуре.

^[a] Конверсия = ([RSOR']+[RSO₂R'])/([RSO₂R']+[RSO₂R']+[RSR']),

^[b] Селективность = [RSOR']([RSOR']+[RSO₂R'])

^[c] В качестве окислителя используют 90% Н₂О₂ (2 экв.)

Таблица 2
Гетерогенное окисление тиоэфиров (сульфидов), катализируемое [Zn2BDC·(Z-Lac)·DMF]·(DMF)x(х=0÷1)(1·(DMF)x)
№	x	Сульфид (тиоэфир)	Окислитель (экв.)	Zn: сульфид	Растворитель	Конверсия[%][а]	Селективность [%][b]
1	0.4	p-BrPhSMe	UHP (2)	1:1	CH2Cl2	58	83
2	0.4	p-NO2PhSMe	UHP (2)	1:1	CH2Cl2	7	90
3	0.4	PhCH2SPh	UHP (2)	1:1	СН2Cl2	3	-
4	0.4	PhSMe	UHP (2)	1:1	СН2Cl2	64	92
5	0.4	PhSMe	H2O2 30%(3)	1:1.5	CH3CN	92	100
6	0.4	PhSMe	H2O2 90%(3)	1:1.5	СН2Cl2/СН3С	100	80
					N(5:1)
7	0.4	PhSMe	H2O2 90%(3)	1:1.5	СН2Cl2/СН3С	100	87
					N(10:1)
8	0.4	p-BrPhSMe	H2O2 90%(3)	1:1.5	СН2Cl2/СН3С	85	100
					N(10:1)
9	0.4	p-BrPhSMe	H2O2 90%(3)	1:25	СН2Cl2/СН3С	58	100
					N(10:1)
10	0.4	PhSMe	H2O2 30%(1.5)	1:5	CH3CN	94	98
11	0.4	p-BrPhSMe	H2O2 90%(3)	1:1.5	СН2Cl2/СН3С	52	100
					N(5:1)
12	0.4	p-BrPhSMe	H2O2 30%(3)	1:1.5	CH3CN	8	100
13	0	p-BrPhSMe	UHP (2)	1:1	СН2Cl2	2	83
14	0	p-BrPhSMe	H2O2 30%(10)	1:1	CH3CN	76	95
15	0	p-BrPhSMe	H2O2 90%(3)	1:1.5	СН2Cl2/СН3С	12	100
					N(10:1)
16	1	p-BrPhSMe	H2O2 90%(3)	1:1.5	СН2Cl2/СН3С	59	99
					N(10:1)

Условия реакции: сульфид (0.1 ммоль), растворитель (2 мл), перемешивание при комнатной температуре 16 ч.

^[a] Конверсия = ([RSOR']+[RSO₂R'])/([RSOR']+[RSO₂R']+[RSR']).

^[b] Селективность = [RSOR']/([RSOR']+[RSO₂R']).

1. Способ получения сульфоксидов каталитическим окислением тиоэфиров в присутствии пероксида водорода, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют соединения цинка, выбранные из группы, включающей Zn(NO₃)₂·6H₂O и гомохиральный микропористый координационный полимер состава: [Zn₂BDC·(L-Lac)·DMF]·(DMF)_x, где BDC - дианион терефталевой кислоты, L-Lac - дианион молочной кислоты, DMF - диметилформамид.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединения цинка используют Zn(NO₃)₂·6H₂O.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединения цинка используют координационные соединения цинка, например гомохиральный микропористый координационный полимер состава: [Zn₂BDC·(L-Lac)·DMF]·(DMF)_x, где BDC - дианион терефталевой кислоты, L-Lac - дианион молочной кислоты, DMF - диметилформамид.