TDK-dolgozat

Kapdos Ádám

2

Eötvös Loránd Tudományegyetem

Természettudományi Kar Kémia Intézet

Triklórizocianúrsav reakcióinak

vizsgálata

Szerző:

Kapdos Ádám

Kémia Bsc hallgató

I. évfolyam

Egyetemi konzulens:

Dr. Novák Zoltán

Egyetemi docens

Az MTA doktora

Budapest, 2020.

3

TARTALOMJEGYZÉK

KÖSZÖNET NYILVÁNÍTÁS ........................................................................... 4

BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉSEK ................................................................ 5

1 SZAKIRODALOMBAN LEÍRT REAKCIÓK ELEMZÉSE .................. 6

1.1 SZERVES VEGYÜLETEK KLÓROZÁSA ÉS FELHASZNÁLÁSI TERÜLETEIK ........ 6

1.1.1 Aromás vegyületek ................................................................................. 6

1.1.2 Ketonok és aldehidek ............................................................................. 8

1.1.3 Észterek ................................................................................................ 11

1.1.4 Nitrilek ................................................................................................. 13

1.1.5 Összegzés ............................................................................................. 14

1.2 A TCCA FELHASZNÁLÁSI TERÜLETEI ÉS REAKTIVITÁSA .......................... 15

1.2.1 Aromás halogénezés ............................................................................ 15

1.2.2 Oxidációs reakciók .............................................................................. 18

1.2.3 A TCCA egyéb említésre méltó reakciói és tulajdonságai .................. 22

2 SAJÁT KÍSÉRLETEK ............................................................................... 23

2.1 KÉNSAV KATALIZÁLT ÉSZTER ÉS NITRIL KLÓROZÁS ................................. 23

2.2 FÉM-NÁTRIUMMAL VÉGZETT REDUKTÍV HALOGÉNEZÉS ........................... 24

2.3 TCCA REAKCIÓJA PIRIDIN TARTALMÚ ACETONITRIL OLDATTAL ............. 32

2.4 TCCA REAKCIÓJA PIRIDINNEL ................................................................. 35

2.5 KLÓR-AZID REAKCIÓJA ECETSAVAS ACETONITRILBEN PIRIDINNEL RÉZ

KATALIZÁTORRAL ............................................................................................. 40

3 ÖSSZEGZÉS ............................................................................................... 46

4

KÖSZÖNET NYILVÁNÍTÁS

Szeretném megköszönni konzulensemnek, Dr. Novák Zoltánnak, hogy lehetőséget

biztosított a laborban való munkához és a műszerekhez való hozzáféréshez, valamint segítette

a dolgozatom és előadásom elkészítését tanácsokkal és kritikákkal. Köszönettel tartozok még

Csenki János Tivadarnak is, aki az NMR spektrumok és GC-MS spektrumok felvételében,

valamint a zökkenőmentes labormunka folytatásában volt segítségemre. Köszönöm Szekeres

Krisztinának, hogy segítségemre volt a voltametriás mérésben és Dr. Vesztergom Somának,

hogy segítségemre volt a voltamogramok értelmezésében.

5

BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉSEK

A triklórizocianúrsav (TCCA) egy régóta használt, sokoldalú és megbízható reagens (1.

ábra). Szinte mindig aktív klór forrásként alkalmazzák. Népszerűségének egyik oka, hogy

tömegének 45,76 %-át a +1-es oxidációs számú klór adja, ez a legtöbb forgalomban lévő aktív

klór tartalmú anyagénál jelentősen több. Előállítása egyszerű és környezetbarát, a reakciók után

rendszerint cianúrsav melléktermék keletkezik, ami egy lépésben visszaalakítható TCCA-vá. A

vegyület számos előnyös tulajdonsággal rendelkezik. Olcsó, kitűnő termikus stabilitással

rendelkezik (225°C-ig stabil), jól tárolható és sok, gyakran használt szerves oldószerben jól

oldódik. Egyik gyakori felhasználási területe például a víz klórozása. Laborban és vegyiparban

oxidálószerként és klórozó szerként használják, mindkét felhasználási módra számtalan reakció

született. Mivel ilyen sok előnyös tulajdonsággal rendelkezik, annak ellenére, hogy rég óta

elérhető és használt reagens, még az utóbbi években is kutatták új reakcióit, illetve felhasználást

nyert számtalan totálszintézisben.

A dolgozatomban előbb tárgyalásra kerülnek a már feltérképezett TCCA-val végzet

reakciók, valamint ezek mechanizmusai. Összehasonlításra kerül több reakció és reagens,

amellyel ugyanazt az átalakítást végzik, ezáltal képet kaphatunk a jelenleg alkalmazható

átalakítások hiányosságairól, problémáiról. Kutató munkám során megkíséreltem a

gyakorlatban bemutatni néhány reakción keresztül a TCCA eddig nem kihasznált

tulajdonságait. A reakciótermékek analízise volt első sorban a fő feladatom, annak bizonyítása,

hogy a vegyület viselkedését megmagyarázzam. Ezt követően a reakciók optimalizálását

végeztem el. Megkíséreltem javaslatot tenni a lehetséges reakciómechanizmusokra, melyek

helyességét igyekeztem kísérleti úton alátámasztani. A kutatásaim tárgyát képezte a ketonok,

észterek és nitrilek klórozása kénsav katalizátorral és nátrium-TCCA reagens párossal, valamint

a TCCA piridinnel történő reakciójának tanulmányozása. Ezek mellett megkíséreltem

előállítani egy diazatropílium vegyületet is.

1. ábra A TCCA szerkezete

6

1 SZAKIRODALOMBAN LEÍRT REAKCIÓK ELEMZÉSE

1.1 Szerves vegyületek klórozása és felhasználási területeik

1.1.1 Aromás vegyületek

Az aromás vegyületek átalakítása régóta fontos kérdése a szerves kémiának. Az

egyszerűbb, kevés funkciós csoportot tartalmazó aromás vegyületek előállítása már nem

probléma a tudomány számára. Fizikai és kémiai tulajdonságaik, reaktivitásuk már jól

feltérképezett. A jelenlegi problémát a komplexebb, több funkciós csoportot tartalmazó szerves

vegyületek előállítása jelenti. Minél több funkciós csoport található egy vegyületen, annál

nagyobb eséllyel okoz majd problémát valamilyen mellékreakció. Gondot okoz még az

átalakított vagy létrehozott funkciós csoport helyzete. Egy modern reakciónak tehát egyik fő

célja a jó kemoszelektivitás és regioszelektivitás elérése.

Az aromás klór vegyületeket sok esetben tovább alakítás céljából állítják elő, de

előfordul, hogy a végtermék is halogéntartalmú. Történelmi szempontból is jelentős a Grignard-

reakció1, amelyben magnéziummal reagáltatnak egy halogénvegyületet. Az így képződő

reagens nukleofilként vehet részt reakcióban. A reakciónak sokféle módosított változata létezik,

a legtöbb módosítás a reakció szelektivitását hivatott növelni. Aromás klórvegyületek

reagálhatnak alkálifémekkel, a megfelelő aril-fém vegyületeket eredményezve2, ezek szintén

nukleofilként reagálnak tovább. Az aril-klorid önmagában kevésbé, de elektron vonzó

szubsztituensekkel együtt hajlamos lehet aromás elektrofil szubsztitúcióra3. Az elmúlt két

évtizedben nagy jelentőséget kaptak az átmeneti fémekkel katalizált reakciók, amelyekben aril-

kloridok is lehetnek kiváló szubsztrátok. A ligandumok szerkezetének finomhangolásával,

megfelelő tulajdonságú fémek megválasztásával rendkívül szelektív reakciók tervezhetőek,

tehát a legtöbb vegyületet lehet a megfelelő aril-halogeniden keresztül funkcionálni4. Az

aromás magban történő szelektív halogénezés, ezen belül is a klórozás is fontossá vált. Az aril

kloridok néhány reakcióját az 2. ábra mutatja.

A leggyakoribb módszer aromás halogénezésre az aromás elektrofil szubsztitúció

valamilyen formája, de vannak más megközelítések is. A Sandmeyer-reakcióban egy amin

csoport cserélhető halogénre jó hozammal a megfelelő diazónium-són keresztül5. Aril-

bórsavak6 réz katalízissel és aktív klórral kiváló hozammal eredményezik a klórozott

vegyületet. TCCA-val és aril-trifluorborát sókkal hasonló reakció megy végbe7. Réz-amin

7

komplexek katalizálják az aromás halogén vegyületek egymásba alakítását is8. Többnyire

előnyt jelent, ha az aromás gyűrű egyik hidrogénjét közvetlenül tudjuk klórra cserélni. Ha más

köziterméket is izolálni kell, az csökkenti a hozamot. Az egyik legelső halogénezéshez használt

katalizátor valamilyen Lewis-sav volt, ezzel már deaktivált vegyületek reagáltatására is

lehetőség nyílt9. A reakció azonban sokszor alacsony konverzióval és minimális szelektivitással

játszódott le. Ionos oldószerrel és klórgáz helyett aktív klóros reagenst használva ezt a módszert

az elmúlt években tovább fejlesztették10. Az új reakció az aktivált vegyületek többszörös

halogénezésére nyújt kiváló módszert. Gyakran használt reakció az is, amikor kloridiont

alkalmaznak klórforrásként, és valamilyen egyéb oxidálószert alkalmaznak az aktív klór in-situ

előállítására. Oxidálószer lehet például oxone, azaz kálium-peroxi-monoszulfát és kálium-

szulfát keveréke. Ebben az esetben redoxi katalizátorokat is alkalmaznak a reakció

hatékonyságának növelésére. Ilyen redoxi katalizátor lehet a ruténium(II) bipiridil komplexe, a

9,10-antracéndikarbonitril, különböző festékek, például az Eosyn Y, valamint egyéb átmeneti

fém vegyületek11. Összefoglalva előállításuk a 3. ábra található.

2. ábra Aril kloridok néhány reakciója

8

3. ábra Aril kloridok előállítása

1.1.2 Ketonok és aldehidek

Az alfa-klór ketonok leggyakoribb felhasználása heterociklusok előállítása12. A

vegyületcsoportra jellemzőek a szubsztitúciós reakciók is, de a nukleofilek sok esetben

katalizálják az aldol kondenzációt is, ezért a sok mellékreakció miatt ilyen célra ritkán

9

használják. Kivételt képeznek az intramolekuláris reakciók, mivel ott a szubsztitúciós reakció

rendszerint kedvezményezett sztérikus okokból. A halogén szubsztitúciója aprotikus

oldószerekben lehet esetleg jellemző. Gyakori nukleofilek a tiolok, azidok és az aminok. Aldol

reakciókban elektrofil és nukleofil is lehet. Akkor ideális nukleofil, ha az enolátképzés a

sebességmeghatározó lépés, a másik reaktáns pedig kellően jó elektrofil a klórketonoz mérten13.

Akkor ideális elektrofil (a karbonil szénen), ha a másik reagens nem képes enolizálni a

klóracetont kellő sebességgel. A heterociklusok előállításához azért kiváló reagens, mert az

egyes és kettes szénen is képes reagálni tandem jellegű reakciókban, bezárva ezzel a gyűrűt. A

2,3-diklór-ketonok reagálnak ammóniával transz-aziridin képződése közben. Ha a keton

kevésbé savas hidrogénjeit tartalmazó hidrogénen helyezkedik el a klór atom, bázis hatására

ciklopropanonná zárható a vegyület. Klórketonok néhány reakcióját mutatja a 4. ábra.

4. ábra Klórketonok néhány reakciója

Alfa-klór ketonok előállíthatók a megfelelő keton és aktív klór segítségével. A reakciót

gyakran katalizátorok segítik, emellett számtalan aktív klór forrás alkalmas a reakció

véghezviteléhez.14 A legtöbb vegyületnél az aktív klór forrástól függetlenül magas hozammal

lehet előállítani a kívánt célvegyületeket. Rendszerint a reakció enoláton keresztül zajlik, de

gyökös mechanizmus is feltételezhető. Utóbbi brómozásnál jóval jellemzőbb, mivel a klór

nehezebben képez gyököt. Brómozás is csak akkor zajlik gyökös mechanizmus szerint, ha az

enolát koncentrációja kellően alacsony.15 Hidroxifenil- és más könnyen reagáló oldallánccal

rendelkező ketonok kisebb reaktivitással rendelkező reagenseket kívánnak. Ezeknek a

vegyületeknek a klórozását acetil-kloriddal cérium-ammónium-nitrát katalizátor jelenlétében

lehet megvalósítani16. Ugyan itt az acetilezési reakció kellemetlen mellékreakció, az

acetilezhető funkciós csoportok védése jóval egyszerűbb az aromás hidrogénekénél. Ez a

reakció aldehid funkcióscsoporttal nem kompatibilis, azt is védeni kell. Aktív klór forrásként

10

N-klórszukcinimidet használva (NCS) dimetil-szulfoxid jelenlétében hatékonyan és nagy

szelektivitással lehet ketont halogénezni17. Megjegyzendő, a szerzők nem térnek ki a fenolok

és aldehidek kompatibilitására. Egy alternatív módja a szelektív előállításnak, ha 2-hidroxi-

ketont reagáltatunk tionil-kloriddal. Ha a halogénezést etilén-glikolban végezzük jodobenzol-

dikloriddal molekuláris szitán, a megfelelő ketált kapjuk18. Ennek a reakciónak rendhagyó

mechanizmusa van, ezt a 5.ábra mutatja be részletesen. Ha királis katalizátort alkalmazunk,

kiváló hozammal és enantiomer-szelektivitással szintetizálhatunk klóraldehidet19. A ketonok és

aldehidek szintézise egybeköthető a halogénezéssel, ha a kiindulási vegyület alkohol20. Stabil

enolát származékokon keresztül is végrehajtható a reakció, de sokszor ez sem jelent megoldást.

Az előállítási módszereket az 6. ábra foglalja össze.

5.ábra Ciklohexanon klórozása metanolban jodobenzol-dikloriddal

11

6. ábra Klórketonok és klóraldehidek előállítása

1.1.3 Észterek

A klórozott észterek nagyon hasznosak, mivel a halogént nukleofil szubsztitúcióval

változatos funkciós csoportokra lehet cserélni. A klór funkciót leggyakrabban amin csoportra

szokták cserélni, de vizes hidrolízissel könnyedén lehet 2-hidroxi-sav származékokat is

előállítani.21 A Reformatsky-reakció is egy gyakori felhasználási mód. Az alap reakcióban réz-

cink ötvözettel képeznek egy nukleofilt, praktikusan egy cink enolátot. A reakció alapvető

mechanizmusa a 8. ábra látható. A reakció kivitelezésének számos változata létezik. Cink

ötvözet helyett redukálószerként használható króm(II), szamárium(II), vagy indium is. A

klórésztert bázissal enolizálva és indium-trikloridot hozzáadva ketonokból és aldehidekből

epoxidokat lehet szintetizálni. A reakció nagy előnye az aldol reakciókkal szemben, hogy O-

12

alkilezés még szililezésnél sem jellemző, valamint nem szükséges bázisos vagy savas

körülmény a reakcióhoz.22 A reakció problémája, hogy a képződő aldol nagyon könnyen

eliminál vizet. Ez elkerülhető szililezéssel és alacsony hőmérséklet alkalmazásával. Másik

gond, hogy a Reformatsky-reagens többnyire nem sztereoszelektíven eredményez terméket.

Az észterek a ketonoknál kevésbé reaktívabbak, mivel nehezebben enolizálhatóak. A

haloészterek szintézise ezért egy lépésben nagyon ritkán kivitelezett. A direkt klórozás szinte

sosem használt, mert szelektíven nagyon nehéz feladat. Elemi klórral foszfor triklorid mellett

néhány speciális esetben sikerült zsírsav észtereket klórozni23. A szintézisek során leggyakoribb

módszer a funkciós csoport bevitelére az aldol reakció a megfelelő klóracetát észterrel, mivel

az ecetsav és észterei, lévén egyszerű vegyületek, könnyen klórozhatóak. Egy módszer a

klórozott származék előállítására a béta-keto diazovegyületből való kiindulás. Azt jodobenzol

dikloriddal piridin katalizátor reagáltatva kapjuk a diklór észtert24. Diklóraldehidből kiindulva

is előállítható speciális katalizátorral25. Ez a módszer brómozásra sokkal hasznosabb, mivel

klórozásnál sokkal több a melléktermék. Telítetlen karbonsavakat is lehet hipoklórossavval

telíteni, aztán tovább alakítani a kívánt észterré. Itt is rengeteg a mellékreakció és alacsony a

hozam26. Brómozásra már több működőképes módszer is született, többnyire szintén enoláton

keresztül27. A klórészterek néhány előállítása és reakciója a 7. ábra látható.

7. ábra Klórészterek előállítása

13

8. ábra A Reformatsky-reagens képződésének mechanizmusa

1.1.4 Nitrilek

A nitrilek halogénezése is változatos szintetikus utakat tesz lehetővé, többnyire klór-

észterekhez hasonló típusú reakciókban vesznek részt. A klórnak köszönhetően könnyeben

lehet őket deprotonálni bázisokkal, ezzel az egyébként észtereknél kevésbé reaktív

funkcióscsoportot észterek jelenlétében is lehet alacsony hőmérsékleten enaminon keresztül

reagáltatni. Reformatsky-reakció analóg nitrilek esetében is létezik28. A 2-klórnitril

szubsztitúciója és redukciója sokféle reakcióterméket eredményezhet a körülményektől

függően. Ezesetben ugyanis a nitril csoport is képes távozócsoportként viselkedni, cianid

ionként lép ki a molekulából. A halogén megválasztása ugyan a többi esetben is fontos feladat,

de itt talán a leglényegesebb a cianidtól eltérő karakterűt választani. Ezért lényeges, hogy klór

beépítése is megvalósítható legyen az alfa szénatomon. Hidrolízis során a klór szubsztitúciója

helyett a nitril csoport hidrolízise dominál legtöbbször, így 2-klór-nitrilből kiindulva

hozzájuthatunk az amidokhoz és karbonsavakoz is. A nitrilek hidrolízisére ma már több

szelektív módszer is létezik293031. Néhány esetben a nitril és a klór is szubsztituálódhat, imint,

vagy ketont képezve32. A 2-halo-2-alkenidil-nitrilek gyakori szintonok, periciklusos

reakciókban dienofilként gyakran vesznek részt.

A nitrilek klórozása eniminen keresztül az észterek reagáltatásánál is nehezebb feladat

lenne, ez esetben is egyéb módszerekhez kell folyamodni. Az egyik reakcióban ketonokból

indulnak ki, kialakítják a cián-hidrint, foszfin-oxid katalizátorral és foszgénnel pedig a hidroxil

csoportot klórra cserélik33. Egy másik karbonilból való előállítási módszer titánium-

tetrakloridot és trimetil-szilil cianidot használ reagensnek34. Ez a reakció sajnos aromás

vegyületekre korlátozódik. Klórnitrilek néhány reakciója és előállítása a 9. ábra található.

14

9. ábra Klórnitrilek felhasználása és előállítása

1.1.5 Összegzés

A szakirodalomban számtalan átalakítás fellelhető, de még mindig van szükség új

reakciókra. A 2-klór-észterek és 2-klór-nitrilek közvetlen szintézise nitrilből nem megoldott.

Az erélyes körülmények között végzett reakciók többnyire csak elemi klórt tudnak alkalmazni.

Erélyesebb körülményeket alkalmazva a legtöbb aktív klóros reagens nem stabil, sokszor

maguk is amidok, vagy aromás vegyületek, amelyek azon körülmények között elreagálnának.

Az elemi klór ezekhez a vegyületekhez képest kis szelektivitást mutat, ugyan átmeneti fém

katalizátorral már próbáltak ezen javítani, igaz, aromás halogénezés esetén. Egy kivételes

reagens a TCCA, amelyre nem jellemzőek ilyen mellékreakciók. Ezt azonban nehezen reagáló

vegyületek közül még csak aromás vegyületek klórozására alkalmazták, észterek és nitrilek

reakcióját vele még nem dokumentálták. A vegyület reaktivitása nem elég önmagában,

15

legtöbbször nehezen halogénezhető vegyületekkel tömény savakban reagál. Tömény kénsavban

a szükséges hőmérsékleten az észterek elkátrányosodnak, a nitrilek klórozását is nehezíti több

mellékreakció. Ezekből az okokból az aktivált TCCA alkalmazása eddig többnyire aromás

halogénezésre volt limitálva. Az aktiválásra nem régiben kifejlesztettek egy új, hatékonyabb

módszert, amelyben elektront szakítanak le a TCCA-ról egy oxidáló festékkel, de észterek és

nitrilek klórozására azt sem alkalmazták. Jól látható ezek alapján további erélyes klórozási

módszerek kidolgozására való igény. Ehhez pedig jó kiindulási pont a TCCA reaktivitásának

újszerű módszerrel való növelése, illetve régebbi módszerek módosítása új átalakításokra való

alkalmazás reményében.

1.2 A TCCA felhasználási területei és reaktivitása

1.2.1 Aromás halogénezés

A vegyület alap reaktivitása is kimagasló a többi aktív klór forrással szemben. Nagy

térigénye miatt sok esetben regioszelektív halogénezés figyelhető meg. Legtöbbször inert,

apoláris oldószerben végeznek vele reakciót, de előfordul olyan is, hogy oldószer nélkül csak

összedarálják a reakciópartnerével. Egyéb adalékanyag nélkül legtöbbször aktivált aromás

vegyületeket klóroznak vele. A regioszelektivitás növelhető, ha egy amint tesznek a

reakcióelegybe katalizátornak35. A para/orto izomerarány terc-butanol hozzáadásával is csak a

harmada a piridinnel, vagy trietil-aminnal mérteknek. Anizol esetében metanolban nem volt

tapasztalható a szelektivitás, a legjobb oldószernek a diklórmetán, a piridin, illetve az aceton

bizonyult. A reakcióhoz az ideális körülmény piridin katalizátor DCM-ben, vagy trietilamin

acetonban. Ilyen körülmények között sikerült ugyanis szelektíven a monoklór származékot

előállítani. A cikk szerzői sok oldószert kipróbáltak, a monoklór-és diklórszármazék aránya,

valamint a para-orto arány is jelentősen eltér. Ez részben a TCCA, részben a fenol éter eltérő

szolvatációjának tulajdonítható. Az eredményekből feltételezhető, hogy acetonitrilben és

dimetil-formamidban a TCCA reaktívabb a szokásosnál. A vegyület akkor is rossz

szelektivitást mutatott, ha diklórmetánban 10 mol% trifluormetil-szulfonsavval katalizálták a

reakciót. Ha DCM-ben katalizátornak piridint használtak, 10 mol%-nál szintén alacsony volt a

mono-diklór termék aránya. Az eredmények 1,25 ekvivalens piridinnél voltak a legjobbak.

Ebből arra következtetek, hogy a piridin 1:1 arányú EDA komplexe DCM-ben stabilabb a

halogénkötés kialakulása helyett. De utóbbi szükséges a reakció megfelelő katalíziséhez. A

16

szerzők a szelektivitást kvaterner-amin sók képződésével magyarázzák, de mivel az aminok

térigénye még ionasszociátumokban sem nagyobb a TCCA-énál (feltéve, hogy az ellenion nem

cianurát). Kvaterner ammónium sók használata a cianurát ellenion jelenlétét kiküszöbölné, de

ezt a gyakorlatban nem tapasztalták. A reaktív speciesz tehát valószínűleg a halogén-kötésben

résztvevő TCCA. Ezt alátámasztja, hogy a terc-butanolban képződő terc-butil-hipoklorit bár

aminokhoz hasonló térigényű, eltérő eredményt produkált. Természetesen a prótikus

tulajdonsága is közre játszik ebben. Érdekes megfigyelés ezalapján, hogy a halogén kötésben

résztvevő TCCA reaktívabb a simán szolvatáltnál. Ezt azzal magyarázom, hogy a DCM-ben és

metanolban szolvatált klóratom geometriája trigonális lesz, a halogénkötésben résztvevőé pedig

diagonális. A TCCA egyik oldószerben sem oldódik túl kiválóan, a halogén kötésben résztvevő

klór oldhatósága nagyobb. A szolvatált klóratomok esetében az oldószer cseréje a szubsztrátra

nem sebességmeghatározó, ezért az oldószer-szubsztrát arány a klóratomoknál

egyensúlyközeli. Mindkét előfordulási forma részt vesz a reakcióban, utóbbi kevésbé

paraszelektív. Ez eredményez valamivel jobb szelektivitást a ,,szabad” TCCA-nál. Ahol az

oldószer is képes diagonális geometriát kialakítani, ott a szelektivitás alacsony lesz.

Erősebb klórozószert kívánnak az enyhén aktivált, vagy a deaktivált vegyületek. Két

aktiválási módszert tárgyalok. Bronsted-sav használatát és oxidálószer használatát. Bronsted-

savként általában az oldószert használják. Mivel a TCCA tömény kénsavban és jégecetben is

jól oldódik, leggyakrabban azokat szokták használni. Katalitikus mennyiségű savval ritkán

próbálkoznak, külön publikációt ennek a megközelítésnek nem szenteltek. Az egyik

publikációban acetonitriles oldattal hasonlították össze a savas oldat reaktivitását36. A reakció

ebben az esetben minimális orto-para szelektivitást mutatott. Az acetonitriles reakcióban az

orto- para arány 1:1 toluolra. Kénsavas ecetsavban valamivel jobb, 1:1,4. Tömény kénsavban

végzett reakció egyszerre eredményez mono- és diklórtoluolt. Ecetes és acetonitriles oldatban

ezzel szemben szelektíven szintetizálható volt a monoklór származék. A protonált TCCA 13C-

NMR spektrumon is kimutatható volt tömény kénsavas oldatban. A savas rendszerekkel még

az 1,3-dinitrobenzol is klórozhatóvá vált közepes hozammal. A nitrotoluol szobahőmérsékleten

is klórozódik, deaktiváltabb vegyületekez szükséges nagyobb hőmérséklet.

Az oxidációs aktiválás37 briliáns zöld (BG) nevű festéket használ. Ezt egy leddel

gerjesztik, hogy könnyebben végbe menjen az oxidációs folyamat. A festék elvesz egy elektront

a TCCA-tól, ami így kationként könnyebben tud klórt leadni. A keletkező gyök egy másik

TCCA-tól vesz fel elektront, így a reakció katalitikussá válik. A mechanizmus a 10. ábra látható

ábrázolva. A mechanizmus igazolása céljából úgy is elvégezték a kísérletet, hogy a LED-et

alacsony konverziónál kikapcsolták. A reakció így is lezajlott. Gyökös mechanizmust

17

igazolandó adtak a reakcióelegyhez gyökfogóként TEMPO-t. A reakció nem zajlott le a

megfelelő mértékben. A módszerhez az optimális, 4 mol%-nyi katalizátor elengedhetetlen. Az

acetonitril használata oldószerként szükségesnek bizonyult. DCM-ben ugyan közepes volt 8

óra után a konverzió, de a mellékreakciók nem voltak jellemzőek. DMF-ben a konverzió magas

volt, de ott a hozam bizonyult közepesnek. A 28-as forrás szerzői említik, hogy a TCCA

gyorsan reagál DMF-fel, és csak 0°C-on voltak képesek reakciót végezni benne. Ez a forrás

érdekes módon 20°C-ot említ reakcióhőmérsékletnek, a hozam várhatóan az oldószer reakciója

miatt lehet közepes. A leghatékonyabb LED a fehér színű volt. A reakciót oxigén jelenlétében

tűnik célszerűnek végezni, peroxid melléktermékek kimutathatóak voltak a reakcióelegyben.

Az oxigén feltételezhetően a redukált alakú katalizátort oxidálja vissza kiindulási állapotba,

ezzel téve hatékonyabbá a reakciót. Ugyanakkor, mivel így az oxidáció irreverzibilis lesz, a

folyamat terminációja általában melléktermékek képződésével jár. A redoxi mellékreakciók

sok esetben okoznak problémát, de ettől függetlenül még mindig minimum közepes hozammal

szintetizálhatóak a klórozott vegyületek. Több deaktivált vegyületet a kénsavas jégecetnél is

jobban sikerül klórozni. Kiemelt módon a piridin származékokat, hiszen azok savban

protonálódnak és túlzottan deaktiváltak lesznek. Említésre méltó reakció az is, amelyben DMF

katalizátorral DCM-ben alkil-piridint klóroznak benzil helyzetben38. A reakció mechanizmusa

valószínűleg gyökös. Az említett reakciók a 11. ábra találhatóak.

10. ábra A BG katalizált klórozás mechanizmusa

18

11. ábra A TCCA aromás halogénezési reakciói

1.2.2 Oxidációs reakciók

A TCCA rengeteg oxidációs reakcióban részt vesz. A legtöbb oxidációs reakció

mechanizmusában előfordul egy olyan lépés, ahol aktív klór transzfer történik, ez a témámhoz

is releváns. A szakirodalomból olyan átalakításokat vizsgálok, ahol erről a részlépésről új

információhoz lehet jutni. Mivel a TCCA-ra jellemző a redoxi folyamaton keresztüli

aktiválódás, néhány egy elektron transzferrel járó reakciót is vizsgálunk.

Az alkoholok oxidációját bázis katalízissel részletesen vizsgálták39, aldehidet kívántak

előállítani. Az kísérletek hatékony reakciókat eredményeztek, a katalizátor és az oldószer

változtatásával a szerzők megkísérelték felderíteni a reakció mechanizmusát. A leghatékonyabb

és legjobban irányítható reakciót piridin katalizátorokkal végezték, acetonitril oldószert

használva a reakció részben végbe ment. A katalizált reakciók esetében volt olyan eset is,

amelyben a katalizátorként tesztelt anyag csökkentette a reakció konverzióját. Ez volt jellemző

a legtöbb karbonát és acetát sóra. Cézium-karbonát és alkil aminok a konverziót nem

befolyásolták jelentősen, vagy enyhén növelték. Néhány esetben a reakció sikeres

végbemeneteléhez tercier-amin katalízis is elégségesnek bizonyult. A piridin katalizátoroknál

érdekes trend mutatkozott. A szubsztituálatlan és a 2,6-ditercbutil-piridin is kiválóan működött,

de a 2,6-dimetil piridin nem. A konverzióból és hozamból kiderül, más termék keletkezik. A

mellékreakció analízisére kísérletet nem tettek. A konverziót az alkoholra nézve számították.

Piridin jelenlétében a DCM is jó oldószer volt, a reakció sebessége tűnt csak lassabbnak. A

19

szerzők egy érdekes megfigyelést tettek, acetonitriles TCCA oldathoz piridint adva fehér,

sárgás csapadék vált le, ami a reakció előrehaladtával feloldódott. A reakcióban ezt

köziterméknek vélték, a szerkezetét megpróbálták meghatározni. Az ismeretlen anyagot

deuterált acetonitrilből választották le TCCA-ra nézve 3 ekvivalens piridinnel. Az ismeretlent

megszárították és 1H-NMR vizsgálatnak vetették alá. 13C-NMR nem készült alacsony

oldhatóságra hivatkozva. Az 1H-NMR spektrumon piridíniumra jellemző, de azzal nem

pontosan azonos eltolódást lehetett látni, ez az N-klór-piridínium cianurátra illő spektrum is

lehet, a szerzők további vizsgálat nélkül ennek tudták be az anyag szerkezetét. Természetesen

a csapadék tartalmazhat acetonitrilből származó atomokat is, a csapadéknak a reakció

konverziójából és szeletivitásából ítélve a TCCA-nál előnyösebb tulajdonságai vannak,

amelyeket célszerű lenne kihasználni egyéb reakcióknál. A szerkezet pontos meghatározása és

felhasználási módok keresése egyik célommá vált munkám során.

Az aldehidek oxidációja metanolban piridin katalízissel a megfelelő észtert

eredményezi40. Az oxidáció mechanizmusát a szerzők szekunder alkohol halogénezésére

vezetik vissza. Ha ugyanis az aldehidek hemiacetált képeznek az oldószerrel, annak oxidációja

közvetlenül az észtert eredményezné. Másik mechanizmus is elképzelhető, mivel aldehidek

oxidálhatók a megfelelő sav-kloriddá is. A sav-kloridot reagáltathatjuk trietil-amin jelenlétében

másik karbonsavval, hogy savanhidridhez jussunk41. Savkloridon keresztül amidok is

előállíthatóak.

Éterek oxidációja gyökös mechanizmuson keresztül történik4243. Vízmentes

környezetben mindkét oxigénnel szomszédos szén egy-egy hidrogénje klórra cserélődik, vizes

oldatban a termék egy észter. Az a szén oxidálódik, ahol a gyök stabilabb. Miután az első

klórozási lépés megtörténik, a klór-éter hidrolizál, a hemiacetál oxidációja az előző lépéssel

analóg. A hozam lejobb esetekben is túl alacsony preparatív célú használatra, tetrahidrofurán

klórozása 22%-os hozamot eredményez. A reakciót elemi jód katalizálja feltehetően halogén

kötések kialakítása közben. A reakciót 0°C-on kell végezni, exoterm.

Szulfidok és szulfoxidok vizes közegben szulfonig, vagy szulfonsavig oxidálódnak44. A

mechanizmus első lépése feltehetően a kén aktív-klór felvétele. A klór vizes közegben hidroxil

csoportra cserélődik, a folyamat addig ismétlődik, ameddig a kén nem éri el a kívánt oxidációs

számot. A folyamat nagyon gyors, exoterm és nem feltétlenül szelektív, de vannak kivételes

esetek, amikor a nagy reaktivitás előnyt jelent és kinetikai kontrol alatt aránylag nagy hozamot

produkál. Ha nem történik szubsztitúció, az S-klór szulfoxónium deprotonálódik és izomerizál

a megfelelő alfa-klór-szulfoxiddá. A szulfoxidok halogénezési gyökös mechanizmus szerint is

zajlódhat45, ehhez bázis katalízis szükséges.

20

Aminokat, alkoholokat elvileg tömény ammónia oldatban TCCA-val nitrilekké lehet

oxidálni. A gyakorlatban kipróbálva a reakciót azonban ammónium-klorid, cianúrsav és

nitrogén képződik, ennél fogva ezt a reakciót nem tárgyaljuk.

Aminokat TCCA-val reagáltatva 0°C-on DCM-ben a megfelelő klóramin képződik,

szűrés után trietil-amint hozzáadva, az oldatot megmelegítve hidrogén-klorid elimináció után

jó hozammal jutunk a nitrilhez46. Ez a reakció általánosan nagyon szép hozamokat produkál.

Érdekesség, hogy ha a trietil-amint a TCCA-val egy lépésben adjuk hozzá, reakció nem zajlik.

A termék szűrés és bepárlás után nyerhető. Ha TEMPO katalizátort adnak a klóramin oldathoz,

a reakció úgy is végbemegy47. A reakciókat a 12. ábra foglalja össze.

21

12. ábra A TCCA oxidációs reakciói

22

1.2.3 A TCCA egyéb említésre méltó reakciói és tulajdonságai

A TCCA szinte minden oldószerrel reakcióba lép. Szoba hőmérsékleten reaktív

oldószerek például az éterek, szulfoxidok, szulfidok, a DMF. Enyhe melegítésre reakcióba lép

piridinnel és alkoholokkal is. A ketonok és aldehidek metastabil oldatot képeznek, ha klórozásra

kerül sor, a fejlődő hidrogén-klorid katalizálja a folyamatot. Piridinnel lehet az oldatokat

stabilizálni, de az a reaktivitást is nagyban befolyásolja. A TCCA-ra jellemző hidrolízis is savas

és lúgos pH-n is. Tömény savban pH -1 és 1 között jellemző a savas hidrolízis48, pH 13 felett a

lúgos. Ezek a tartományok nem a hipoklóros-sav és hipoklorit-ion képződésére vonatkoznak,

minthogy azok jelen vannak a teljes pH tartományon, hanem a cianurát gyűrű felnyílására. A

savas hidrolízis tömény oldatokban klóramin felszabadulásához vezet. 5 g-nál nagyobb

mennyiségnél ez robbanáshoz is vezethet, ezt munkám során is tapasztaltam. A hidrolízis

szobahőmérsékleten néhány óra alatt jelentős. A hidrolízis egyéb termékei szén-dioxid és

nitrogén. Más prótikus oldószerek, különös tekintettel az alkoholok hidrogénje klórra

cserélődhet, végső soron eltérő reaktivitást vagy az aktív klór felesleges fogyását

eredményezve. Karbonsavakra ez nem jellemző mellékreakció.

A vegyület tömény kénsavban, ecetsavban, acetonitrilben, etil-acetátban és acetonban

oldódik. A cianúrsav szobahőmérsékleten csak a tömény kénsavban oldódik. Forralásra is csak

az első kettőben. Oldhatósága nagyban függ a leválasztás módjától is. Különféle módokon

leválasztott cianúrsav csapadékok oldatának még az NMR spektruma is eltérhe55.

23

2 SAJÁT KÍSÉRLETEK

2.1 Kénsav katalizált észter és nitril klórozás

Az észterek és nitrilek közvetlen halogénezésére a TCCA tulajdonságait kihasználva

kísérletet tettem. A korábban már aromás halogénezéshez használt módszer módosított

változatát kívántam alkalmazni. Az említett módszer a savat használta oldószernek, ez

legtöbbször jégecet és kénsav volt. Én szerves oldószerben kis mennyiségű savat használtam,

hogy ne roncsolja az átalakítani kívánt anyagot. A koncepció teszteléséhez a szubsztrátomat

használtam oldószernek, butil-acetáttal és acetonitrillel végeztem el a reakciót.

30 ml acetonitrilhez 5 g TCCA-t adtam, kevertettem ameddig fel nem oldódott, majd 2

ml tömény kénsavat adtam az oldathoz, amit ezt követően refluxoltattam. Fehér szilárd anyag

kiválását tapasztaltam. Fél óra forralás után az oldatot melegítését felfüggesztettem és leszűrtem

a szilárd anyagot. A csapadék pH 0-s kénsavoldatban és erős lúgban oldódó, aktív klórt nem

tartalmazó szilárd anyag volt, amely intenzív melegítésre szublimált, valószínűleg cianúrsav. A

maradék oldat sárga színű volt. A szűrletet elkezdtem lepárolni vákuum alatt, a szedőlombikban

felfogott anyag sárga színű volt, feltehetően klórgáz jelenléte miatt. A kísérletet megkíséreltem

követni aktív klórt jelenlétét követve kálium-jodid oldattal, de ez hasonlóan, a klór jelenléte

miatt sikertelen volt. Elemi klór TCCA és hidrogén-klorid reakciójával keletkezik rendszerint.

A hidrogén-klorid képződése ilyen körülmények között magyarázható gyökös mechanizmussal,

vagy klórozott anyag kondenzációjával. Mivel gyökös HDCCA+ kation nem jön létre

jellemzően, legalábbis az adott körülmények között biztosan nem, az adott anyag

kondenzációjából kell származnia a HCl gáznak. Gyök jelenléte akkor lenne feltételezhető, ha

kénsavas klórozás során a toluolból képződne benzil-klorid36, de ez a gyakorlatban nem

tapasztalt. Klór-acetonitrilt elektron ütköztetéses ionizáció mellett GC-MS spektrumban nem

lehetett látni, kiindulási aktív klórra számítva 1,5 mg/ml-es oldatot mértem be acetonnal hígítva

a kellő koncentrációra. A spektrumban egyedül egy nagyon alacsony csúcs látszik 105 Da/z-

nél, de ez akár valamilyen szennyeződés is lehet. A termék tehát sajnos elreagál, viszont

feltehetően átmenetileg keletkezik. A módszer esetleg alkalmas lehet a klórozott nitril, vagy

észter in-situ előállítására, intermolekuláris reakcióknál ezt esetleg ki lehet használni. Butil-

acetáttal végezve a reakciót szintén hasonló problémába ütközünk. A savkatalízis tehát a tiszta

klórészterek és klórnitrilek előállítására nem alkalmas, de feltehetően kapcsolási reakciók

létrehozhatóak lesznek a jövőben a módszer felhasználásával.

24

2.2 Fém-nátriummal végzett reduktív halogénezés

Az eddigi irodalom nem jellemezte a TCCA reduktív aktiválását. A vegyület

elektronhiányos természete könnyen redukálhatóvá teszi. Az egy elektron felvételével képződő

anion a molekulában lévő delokalizáció miatt könnyen el tud bomlani, várhatóan klorid gyök

távozik és a diklórcianurát-ion keletkezik. A klorid gyök reagál a klórozni kívánt anyaggal, a

diklórcianurát pedig vagy felvesz egy hidrogént, vagy leválik csapadékként valamilyen

kationnal.

Redukálószerként nátriumot használva kísérletet tettem ketonok, észterek és acetonitril

klórozására. A reakciók során 0,7 M-os TCCA oldatokat készítettem és ezek redukcióját

vizsgáltam. A reakció lezajlása után a reakcióelegyből mintát vettünk és GC-MS készülékkel

analizáltuk a képződő anyagokat. Robbanás a számtalan kísérlet során egyszer sem történt.

Az első reakciót acetonnal végeztem el. Az acetonos TCCA oldathoz apróra vágott

nátriumot adtam, TCCA-ra nézve 1 ekvivalens mennyiséget 15 ml acetonhoz egy főzőpohárba.

A nátrium felületén gázfejlődés volt látható. A reakció menete során a nátrium felületén laza

szerkezetű piros színű bevonat képződik, az oldat felmelegszik. A piros szín nem tartós, a

reakció végén már egyáltalán nem látható, helyette fehér színű csapadékot kapunk. A fehér

színű anyagot a nátrium felületéről célszerű lekapargatni, máskülönben a fém felületén

bevonatot képezve a reakció abbamarad. Célszerű emiatt dörzsmozsárban végezni a reakciót.

A nátriumot időnként összenyomkodva a reakció sokkal gyorsabb lesz. A reakció átlagosan 15-

20 percet vett igénybe szobahőmérsékleten. A reakció sebessége nagyban függ a felvágott

nátrium szabad felszíntől. A nátriumot elfogyásáig kapargattam egy wolfrám rúddal. Ezután

szűrve, a szűrletet megtartva juthatunk a termékelegy oldatához. A reakció főterméke

valószínűleg klóraceton, részletes analízist idő hiányában az etil-acetát és az acetonitril

klórozott termékeire csináltam. A klóraceton jelenlétére a termék oldat szemingerlő gőzeiből

és szagából következtettem. Nátrium-hidroxid oldattal összeöntve azonnal látható volt piros

szín. A keton klórozás végbe megy azonos körülmények között metil-etil ketonnal és

ciklohexanonnal is, a ciklohexanonban végzett reakció valamivel lassabb az acetonban

végzettnél.

Az észterek reakciója sokkal lassabb, szobahőmérsékleten átlagosan egy órát vesz

igénybe szobahőmérsékleten (0,3 g nátriumot alkalmazva). A reakció szintén exoterm, a piros

anyag is ugyanúgy megjelenik a fém felületén. Butil-acetáttal és etil-acetáttal próbáltam ki, az

etil-acetátos reakció termékeit elemeztem. Butil-acetátban szobahőmérsékleten nagyon lassú a

reakció, etil-acetáttal már számottevő. A reakciót 40 °C-on végeztem oly módon, hogy az

25

elegyet főzőpohárban felmelegítettem, áttöltöttem dörzsmozsárba, összedörzsöltem a

nátriumot, majd miután lehűlt, újra felmelegítettem főzőpohárban. Ezt kb. 30 percig

ismételgetve a piros közitermék eltűnéséig csináltam. A nátriumot a fejlődő hidrogén

forgácsolja, a felületére leváló csapadék pedig a nátrium forgácsot bevonja. A forgácsdarabkák

piros színükről vehetőek észre, ezeket a csapadék szűrése után el kell távolítani. Ideális esetben

nem marad forgácsolt nátrium, mert az is elreagál, erről alapos dörzsöléssel győződhetünk meg.

A reakcióban keletkező főtermékek várhatóan oldatban maradnak, emiatt az oldatot leszűrtem.

A szűrlet etil-acetát tartalmát vákuum-lepárlással kíséreltem meg lecsökkenteni minimálisra. A

termék legnagyobb része sajnos távozott az etil-acetáttal együtt, az elválasztás desztillálással

nehézkesnek bizonyult, a párlat szaga szúrós volt. Az adólombikban nedves fehér anyag volt

látható a bepárlás után, szintén igen szúrós szaggal rendelkezett. Ebből készítettem egy 2,5

mg/ml-es mintát acetonban, a termékeket gázkromatográffal kívántam elválasztani, ezután

pedig felvenni a tömegspektrumát, elektron ütköztetéssel történt az ionizáció. A termékek

szerkezetét a fragmensekből határoztam meg, a kromatogram három terméket mutatott. Ezek

tömegspektruma a következő oldalon található (14. ábra). Legegyszerűbben a harmadik

spektrum értelmezhető. A fő csúcs 87 Da/z-nél található, ez a klór kilépése után képződő kation

jele, nincsenek izotópjelek. A második és harmadik legmagasabb csúcs az észter-kation hidrid

migrációval zajló átrendeződése4950 során létrejövő klóretén (CH2CHCl) gyök kation, illetve a

hidrogén absztrakcióval képződő klóretén (CH3CHCl) kation. A klórtartalmuk az izotóp

csúcsok megjelenése miatt mondható biztosra. 79 Da/z-nél a klóretanol (CH3CClO) gyök

kation található.

13. ábra A C2H3OCl kation rezonancia szerkezetei

26

14. ábra A klórozott észterek tömegspektrumai

Ezek relatív stabilitása a pozitív töltés rezonancia stabilizációjával magyarázható (13. ábra).

A spektrum feltehetően 1-kloroetil-acetáthoz tartozik. A spektrum a szakirodalmi referenciával

konzisztens51. Sajnos a detektor 45 Da/z alatt nem detektál iont, ezért a legnagyobb jelet nem

láthatjuk.

A második spektrum legnagyobb jele 82 Da/z-nél található. Ez az izotópcsúcsok alapján

két klóratomot tartalmaz, tehát diklórkarbénium. Ez hidrogén absztrakcióval diklórmetílium

ionná alakulva a 83 Da/z jelet és izotópcsúcsait, klór absztrakcióval pedig a 117 Da/z

triklórmetílium jelet és izotópcsúcsait adja. A 111 Da/z-s csúcs összegképlete lehet C3H5Cl2

27

vagy C2HOCl. Mindkét molekula jelen lehet, én az elsőt tartom legvalószínűbbnek. A

klórkarbének és az utóbbi molekula képződésének feltételezett mechanizmusa a 15. ábra

látható. Ez tehát ezek alapján a diklór termék. Az első spektrumban is egyértelműen látható a

triklórmetílium kation jele. Mivel ez sokkal nagyobb a 82 Da/z-s diklórkarbéniumnál,

feltételezhető, hogy az képződik először. A 84 Da/z csúcs nagyobb az izotópcsúcsnál, ezt egy

[1,6] hidrid átmenet során keletkező krotonsav kationnal magyarázom. Az átrendeződött

termék tovább tud reagálni a 78 Da/z csúcsért felelős C6H6 kationba. Az ehhez a spektrumhoz

tartozó vegyület tehát valószínűleg a triklórmetil-krotonát. A vegyület szerkezetét szerettem

volna NMR vizsgálattal igazolni, de nem sikerült megtisztítani eléggé az anyagot ahhoz, hogy

etil-acetáton és ecetsavon kívül bármilyen vegyületet ki tudjak mutatni benne. A TCCA jele a

referenciától némileg eltérő helyen, 145,77 ppm-nél jelentkezett. Az ecetsav jelenléte

különösen érdekes, arra számítanék, hogy a nátrium reagálna az összes jelenlevő ecetsavval

hidrogén fejlődése közben, de a jelek szerint nem ez történik. Egy másik magyarázat a termék

gyors hidrolízise az NMR oldószerként használt deuterált acetonban feltételezetten jelenlevő

nehéz vízzel. Ezt alátámasztaná, hogy az ecetsav savas hidrogénje az NMR spektrumon

egyáltalán nem látható, valamint vízjel sincs benne. Az is előfordulhat, hogy a deuterált

oldószerben hidrolizáltak el az észterek, ezért nem látni őket a spektrumokon. Kromatográfiás

módszereket nem próbáltam ki, de azzal feltételezem, sikeres lehetne az elválasztás. Észterek

és ketonok reakciója összefoglalva a 16. ábra látható.

15. ábra Diklórkarbénium-ion és a C3H5Cl2 kation képződése

A reakciót acetonitrilben végrehajtva azt tapasztaljuk, hogy sokkal hevesebb a folyamat,

piros színű oldathoz jutunk, a nátrium néhány percen belül elreagál. A reakcióelegyből a

csapadékot vákuum-szűrés után eltávolítottam, a szűrletet vákuum alatt lepároltam. Sötét vörös

színű folyékony anyagot kaptam, amely vízzel már nem elegyedett, vízbe cseppendve az oldat

aljára süllyedt. Deuterált acetonitrilbe mintát vettem, NMR vizsgálat alapján megállapítottam,

hogy az acetonitril polikondenzált. 2,1 ppm és 2,7 ppm között 4 jel volt látható változatos

intenzitásokkal. 1 ppm és 1,8 ppm között látható 6 jel, amelyek közül kettő triplet. Ez arra enged

28

következtetni, hogy etil-cianid származékok is képződnek. Egy nagyon apró jelet látni 4,27-

nél, ami várhatóan a monoklór acetonitil. Van olyan melléktermék jel, amelynél az integrálja

harmincszor kisebb. Ennél fogva további analízis nem történt, mivel túl kevés hasznos termék

képződött. A piros színű oldat képződése megfigyelhető volt más reaktánsokkal is, ha a

reakcióelegy túlhevült. Arra különösképpen oda kell figyelni, hogy a nátrium ne olvadjon meg,

mert nagyon csúnya kátrányt hagy maga után. Érdekes tapasztalat, hogy a nátrium-

diklórizocianurát olvadt nátriummal egyáltalán nem reagál, ezt a kísérletet hidrogénezett

petróleumban végeztem. A reakciót célszerű lenne elvégezni olyan oldószerben, amelyben a

TCCA és a nátrium sem reagál, de a TCCA oldódik, így nem kellene a szubsztrátokat

oldószernek használni. A probléma az, hogy nem sok ilyen oldószer létezik.

A reakció során keletkező csapadék analízise a következő volt: a reakció lezajlása után

leszűrtem és acetonnal átmostam, a piros színű nátrium darabkákat csipesszel kiszedtem, majd

megszárítottam. A porból vett mintához tömény sósavat adtam, klórgáz fejlődését tapasztaltam.

Ha véletlenül maradt benne nátrium, az egyből lángra kapott, néhány másodperc alatt

maradéktalanul elégett. A fehér por másik mintáját vízzel mostam, leszűrtem és a szűrlet pH-

ját ecetsavval csökkentettem, hogy a cianúrsav kiváljon belőle. Salétromsavval savanyítva

ezüst ion nem ad fehér csapadékot. A cianurát zavarhatja a mérést, ezért kell megsavanyítani

salétromsavval. A sósavval kezelt minta újból le lett szűrve, vízzel lett mosva. A maradék fehér

anyag tömény lúgban és savban oldható, intenzív melegítésre szublimál, valószínűleg

cianúrsav. Ezek mellett jodometriás titrálás is alátámasztja az elméletet. A reakciók után a

nátrium-diklórizocianurát tömege szűrés és mosás után az elméleti érték 90 %-a, vagy

alkalmanként még több.

16. ábra A reduktív halogénezés reakciója

A reakció mechanizmusa a gyökös reduktív klórozással konzisztens, a termékek alapján

is ez zajlik. Ha enoláton keresztül zajlana a reakció, mindenképpen az észter karbonsavból

származó metil-csoportja klórozódna, de ilyen terméket nem találunk a termékelegyben. A

nátrium nem alkalmazható iniciátorként. Ha a reakciót feleslegben levő TCCA-val végezzük,

29

azt kellene tapasztalnunk, hogy a nátrium elfogyása után még cianúrsav csapadék válik le. Ilyen

azonban nem történik. Ebből következtetve a TCCA redukciója szükséges feltétele a gyök

képződésének, anélkül nem történik reakció. Az egy elektron felvételével képződő NaTCCA

só lehetséges magyarázat a piros bevonat megjelenésére a nátrium-felszínén. A TCCA- ion

léphet reakcióba ezek után a szubsztráttal. A TCCA redukálhatja a szén-hidrogén kötést

karbanion és hidrogén gyök képződése közben. A karbanion felveheti a TCCA-tól az aktív

klórt, a hidrogén gyök ezután hidrogén absztrakcióval H2-ként távozik. A hidrogén absztrakció

után hátramaradó gyök felvehet ugyan klórt TCCA-tól, így gyökös láncreakciót beindítva, de a

fém nátrium egy elektront átadva a diklórizocianúr-gyöknek terminálhatja a folyamatot, ha

pedig ilyen láncátadás zajlik, akkor is redukálhatja a diklórizocianúrsavat. A gyökös

láncreakció tehát valószínűleg nem jellemző. Ha mégis beindul, a reaktánsok számtalan

mellékterméket produkálnak, a reakció nem lesz alkalmazható. Valószínűleg ezt láthattuk

acetonitrilben. Minél több hidrogén cserélődött le klórra egy vegyületben, annál reaktívabb lesz

az adott anyag. Már 30-40°C körül is jellemző a di- és triklórszármazékok megjelenése az

észterhalogénezéses kísérletben. Hidrogén-klorid nem képződik, a csapadék nátrium kloridot

hagyományos analitikai módszerekkel kimutatható mennyiségben nem tartalmazott, ezért a

klór nem absztrahálhat hidrogént. Szabad klorid gyök az oldatban ezek szerint nem lesz jelen.

A redukció és a szubsztitúció kötött szerkezeten belül kell, hogy lejátszódjon a leírt gyökös

reakcióban képződő melléktermékek hiánya miatt. Ez megtörténhet valamilyen szubsztrát-

TCCA addukt képződése közben. A másik lehetőség az, hogy az addukt előbb jön létre, mint

hogy a TCCA redukálódna. Amennyiben utóbbi a különbség, a redukció sebessége

szubsztrátonként eltérő kell legyen, ez a tapasztalattal konzisztens. A piros anyag tehát állhat

egy TCCA-szubsztrát komplex redukált formájának nátrium sójából is. Az is egy lehetséges

reakcióút, hogy a képződött adduktban közvetlenül az észter hidrogénje redukálódik, ez viszont

feltételezetten nem eredményezné a piros anyagot, mivel a karbanion nagyon hamar felvenné

az aktív klórt.

A triklórmetil-krotonát képződése etil-acetátból, feltehetően már diklóretil-acetátból

azzal magyarázható, hogy a szén-hidrogén kötés helyett a szén-szén kötés redukálódik,

valamilyen módon az acetát csoportról hidrogént leszakítva metán távozásával (17. ábra). A

klórozás ezután lezajlik. Az acetát csoport gyökként rekombinálódhat egy etil-acetát

molekulával, amiről valamilyen gyök a metiléncsoportról hidrogént szakított le. Az így

képződő vegyületből ecetsav eliminációjával képződik a krotonát észter. Az acetát metil

csoportjáról feltételezhetően az ábrázolt lépésben szakad le a hidrogén52. Az ábrán ugyan a

negatív töltés a diklóretilén csoporton lokalizálva szerepel, de az a molekulában delokalizálva

30

van. A TCCA nincs feltűntetve, az észter és TCCA közötti interakció természete egyelőre

bizonytalan, feltételezem a későbbiekben bemutatott piridin komplexhez hasonló.

17. ábra Metán kilépése a klórozott észter-anionból

A TCCA redoxi tulajdonságait megvizsgálandó, felvettük a cilikus voltamogramját

acetonitrilben 50, 100 és 200 mV/s-os polarizációsebességgel. Referencia elektródnak nátrium-

kloriddal telített oldatba merülű kalomel elektródot használtunk. Vezetősónak

tetrabutilammónium-tetrafluoroborátot használtunk. Az oldat TCCA-ra 1 mM-os volt. A felvett

voltamogramok az alábbi ábrákon láthatóak (18. ábra, 19. ábra).

18. ábra A TCCA ciklikus voltamogramja

31

19. ábra A TCCA ciklikus voltamogramjának második ciklusa 100 mV/s-os polarizáció sebességgel. Kékkel a

TCCA nélküli vezetősótartalmú oldat voltampgramja van jelölve.

Az a1, a2, k1, k2 csúcs várhatóan nyomokban előforduló víznek is köszönhető lehet.

Később tárgyalt vizsgálatokból kiderül, a piridin-TCCA komplex is egy mol vízzel válik le

acetonitrilből. Mivel a DCCA só elektrolízis során nem tud leválni nátrium hiányában, a

diklórizocianúrsav is részt vehet további elektródreakciókban, esetlegesen bonyolítva ezzel a

voltamogramot. Az biztonsággal kijelenthető, hogy k3 csúcs a TCCA-hoz, vagy annak

komplexéhez tartozik. A három polarizációsebességen mért érték alapján a csúcs áram nem

arányos a polarizációsebesség gyökével, ahogyan az általánosan tapasztalható. Ez alapján

valamilyen egyéb jel, például k4 egy részét is magába foglalja a görbe. A redukciónak nincsen

oxidációs párja, ennél fogva a redukált termék hamar elreagál nem oxidálható termékekre. Ha

a reakció a nátriumos reakciótól eltérő, és kloridion képződik HDCCA mellett, illetve

valamilyen szerves termék mellett, az magyarázná az oxidációs folyamat hiányát. Feltételezve,

hogy a nátriumos redukció és a katódos reakció folyamata azonos, a TCCA-acetonitril komplex

redukciója utáni szétesése is magyarázat lehet a jelenségre, a HDCCA is nagyon nehezen

oxidálódna az adott körülmények között, deviszont katalizálná a vízbontást. Az általános

reakcióra a javaslatom a 20. ábra látható.

32

20. ábra A reduktív klórozás feltételezetzt általános mechanizmusa

2.3 TCCA reakciója piridin tartalmú acetonitril oldattal

A telített acetonitriles TCCA oldathoz kevés jól elporított TCCA-t, majd piridint adva

azt tapasztaljuk, hogy a felesleg TCCA feloldódik. Az oldatból hamar fehér csapadék válik ki.

Egy korábbi szakirodalmi beszámoló szerint ez idővel besárgul, aztán részben feloldódik. Ha

az oldat redukálószert (akár alkoholokat) tartalmazott, a reakció végén cianúrsav csapadék válik

le. A reakció metastabil vegyületeinek analízisére kísérletet tettünk NMR és

tömegspektroszkópiás módszerekkel.

Összekevertem 4 g TCCA-t 30 ml acetonitrillel, a keletkező oldathoz adtam 0,8

ekvivalens piridint TCCA-ra nézve, azonnal levált sok fehér csapadék. A piridint 8 ml-es

üvegcsébe mértem ki, 2x5 ml acetonitrillel mostam az észterhez. A csapadék állásra nem

sárgult. DCM-mel lemostam az oldószert, megszárítottam hőfúvó pisztollyal és jodometriás

titrálással megkíséreltem a molekulatömegét megbecsülni. A titrálás során barnás-fekete

csapadék vált le, amely oldhatatlanságánál fogva lassan oxidálta a jodid-iont. Vagy egy mol

piridin, vagy két mol acetonitril tömegével nagyobb a molekulatömege TCCA-nál. A csapadék

oldódik acetonban, fém nátrium-diklórcianuráttá redukálja. Sósavval klór fejlődése közben nem

jellemző a barna szín megjelenése, ennél fogva valamilyen jód analógja lehet a csapadéknak.

A kísérletet megismételtem 1 ekvivalens piridinnel. A csapadék leválása több időt vett

igénybe, majd a csapadék lassan sárgulni kezdett. A levált anyagot nem szűrtem le, az oldatoz

adtam a korábbin felül 1,5 ekvivalens piridint. A csapadék ekkor lassan gázfejlődés közben

elkezdett besárgulni. A reakció igen lassú volt, 4 órán keresztül kevertettem az oldatot 22°C-

on. Ezután a sárgás-fehér csapadékot vákuum-szűréssel elkülönítettem. A szűrletből másnapra

további csapadék vált le. A sárga anyag oldhatatlannak bizonyult trimetil-aminban, acetonban,

metanolban, diklórmetánban, tetrahidrofuránban és vízben. A szűrletet ezután újabb szűrés után

vákuum alatt bepároltam. Az acetonitrilből csekély mennyiségű további sárga anyaghoz

33

jutottam. Utóbbi két csapadék megjelenése azonos, a sárgás-fehér leszűrt szilárd fázisnál

mélyebb színű. Nem kizárt, hogy a két képződő sárga anyag azonos. A bepárlás után nyert mély

sárga anyagból 6 M-os sósav nem fejleszt hirtelen klórgázt, de idővel buborékozás figyelhető

meg, az oldat erőteljesen klórszagú lesz. A bepárlás után nyert csapadékhoz nátrium-karbonát

oldatot adva sötét barna anyag képződött, ami lúgban kicsit, savban egyáltalán nem volt

oldható. A barna szín néhány perc alatt fokozatosan jelenik meg.

A csapadékoknak megkíséreltem felvenni a tömegspektrumát acetonban oldva, de még

az oldhatóbbaknak sem sikerült a jelét detektálni, valószínűleg a magas forráspont miatt a

gázkromatográf nem volt képes a mintát elforralni. NMR spektrumokat oldhatóság miatt

szintén nehéz volt rögzíteni. Végül a korábban más szerzők által tri(klórpiridínium)-cianurátnak

vélt első csapadékot sikerült csak megvizsgálni. Felvenni az 1H (21. ábraHiba! A hivatkozási

forrás nem található.) és 13C (22. ábra) spektrumát egyaránt sikerült deuterált acetonban.

21. ábra A piridin-TCCA komplex 1H-NMR spektruma deuterált acetonban

34

22. ábra A piridin-TCCA komplex 13C-NMR spektruma deuterált acetonban

A felvételek deuterált acetonban készültek 20 °C-on. A spektrumokon jól kivehető a

piridínium ion. A hidrogénjei 7,37-nél, 7,77-nél és 8,58-nél helyezkednek el. A spektrumban

látható vízjel is, pontosan 1 ekvivalens piridinre nézve. Az oldószerben felvett egyéb

spektrumokban nem volt vízjel, ennél fogva a víz a mintából származik. A vegyület

monohidrátnak tűnik. Nem abszolút oldószereket használtam a vegyület előállítására. A titrálás

és a spektrum felvétele azonos mintából származik. A mintát titrálás előtt hőfúvó pisztollyal

szárítottam, a titráláshoz nem felhasznált anyagból 4 nap múlva készült a spektrum. A

referenciák5354 alapján valószínűleg a szén NMR-en a 145,92-es csúcs tartozik a TCCA-ból

származó szenekhez. Mivel egy jelet ad, feltételezhetjük, hogy a piridin egy klór levétele helyett

elektronokat biztosít a TCCA-nak, ezek pedig delokalizálva a gyűrűn delokalizált eletronokhoz

kerülnek. A TCCA jele 145,3355 ppm-nél látszódik deuterált acetonban, ez a mért jelhez nagyon

közel van, de azzal nem azonos. Általában a piridínium-ionok NMR felvételein az orto-, meta-

, és parahidrogének tripletekként és dubletekként jelennek meg a 300 MHz-es készüléken. Ezen

a spektrumon dublet-dublet-dublet és multiplet jelek láthatóak, tehát a hidrogének környezete

némileg eltérő. A felhasítások természetesen szubsztituensenként változóak, előfordulhat, hogy

a hidrogének azonos környezetben vannak. A pi-komplex a nitrogén orientációja miatt vagy

kettő, vagy három jelet eredményezne. Ebből következtetve a komplexálásban a piridin

nitrogénje vesz részt, jellemre egy piridínium ionra hasonlít. A piridinvegyület hidrogén és

szénjelei is piridínium vegyületre utalnak. A reakció sémája és a vegyület feltételezett

szerkezete a 23. ábra látható. Ez a vegyület több piridin jelenlétében gázfejlődés közben alakul

tovább acetonitrilben. A vegyület önmagában való bomlása oldószer alatt disszociációval

magyarázható.

35

23. ábra Piridin reakciója TCCA-val acetonitrilben

A piridin katalizált reakciók általánosan a karakterizált csapadékokon keresztül

játszódnak le. A komplex nagy térigénye és moderált reaktivitása lehetővé teszi, hogy

regioszelektív és kemoszelektív reakciókat hajtsanak vele végre. Feltételezhetően más

vegyületek is képesek komplexet képezni a TCCA-val. A korábban szolvatációval magyarázott

reaktivitást ilyen módon is magyarázhatjuk. Az amin katalizált halogénezési reakció alapján,

amit korábban bemutattam, olyan anyagok komplexálnak jól, amelyeknek a szerkezete merev,

és képesek könnyedén nemkötő elektronpárt biztosítani. A komplex akkor válik stabillá, ha a

donor kellően inert és a pozitív töltés kellően stabilizálva van rajta.

2.4 TCCA reakciója piridinnel

Ha tiszta piridinben próbáljuk melegíteni a TCCA-t, exoterm reakció veszi kezdetét.

Feladatomnak véltem kideríteni a reakció termékét és megfejteni a reakció mechanizmusát. A

reakció kiváltképp azért is lehet érdekes, mert az egyik fő mellékreakcióként szolgálhat a

deaktivált aromás vegyületek klórozásánál az oldallánc klórozása mellett. Emellett mivel a

reakció terméke jó hozamban keletkezik, jó módszer lehet a termék vegyületcsoportjának

előállítására. A reakció terméke előfordulhat, hogy azonos az acetonitrilben szintetizált

vegyületből karbonát oldattal előállított barna anyaggal.

A reakció felderítésének első lépése a reakció elvégzése és reakciókörülmények

optimalizálása volt. Ki akartam deríteni, milyen oldószerek alkalmasak a kísérlet elvégzésére.

Mint kiderült, a reakciót legcélszerűbb úgy végezni, hogy a TCCA-t tiszta piridinhez adjuk. A

piridint előzetesen fel kell melegíteni 50°C fölé és részletekben kell hozzáadni a TCCA-t. Ha

kellően sok piridint használunk, a termék még oldva is marad. Ezután le tudjuk desztillálni a

feleslegben lévő piridint. Ekkor egy barna szilárd anyagot kapunk. Ezt tovább melegítve

sikerült piridínium-kloridot kidesztillálni belőle. A piridínium-klorid szerkezetét sav-bázis

titrálással igazoltam, ismert tömegű mintát titráltam és felvettem egy titrálási görbét (24.ábra

A piridínium-klorid titrálási görbéje

36

25. ábra A hidrolízis utáni oldat titrálási görbéje

A titrálás 113,8 g/mol moláris tömeget eredményezett, az anyagnak valós moláris

tömege 115,6 g/mol. A mérőoldat 0,1 M-os NaOH oldat volt a pH-t közben digitális pH mérővel

követtem. A piridínium só a későbbiekben karbonát oldattal mosva került eltávolításra. A

reakcióhoz más oldószereket is kipróbáltam. DCM-ben összekeverve az anyagokat az oldószer

enyhe sárgulása volt tapasztalható hosszú órák alatt, exoterm reakció nem volt tapasztalható.

Triklóretilénben forralásra sem zajlott reakció. Butil-acetátban összekeverve a reagenseket

80°C-tól indult be a reakció. Az acetonitrilt az előző pontban leírt reakciók miatt nem próbáltam

ki. Butil-acetátot alkalmazva a reakció részben volt sikeres. Az oldószert ledesztillálva, majd a

hátra maradt elegyet DCM-mel mosva némi klórozott észter melléktermékhez jutottam. A

reakció sajnos semmilyen körülmények között nem eredményezi tisztán az alfa-halo észtert,

így preparatív célokra alkalmatlan volt. Ha tiszta piridinben óvatosan végezzük a reakciót és

nátrium-karbonát oldatot töltünk hozzá, a csapadékból kevés fog feloldódni hosszú állás után

is. Pezsgés nem volt tapasztalható. Hőbontás után heves pezsgés és habzás volt megfigyelhető.

A hőbontás teljességéről a piridínium-klorid megjelenésével győződhetünk meg, a hőbontott

termék nehezen bomlik tovább. 180°C-os olajfürdőn a piridin átdesztillálása után egy órán

keresztül forrón tartva.

A tiszta piridinből kapott hőbontatlan keveréket nátrium-hidroxid oldat maradéktalanul

oldotta. Sav hozzáadására barna csapadék vált ki, amit én a reakció főtermékének véltem. A

sav-bázis tulajdonságai szolgáltak végül az elválasztás fő módszereként.

A terméket megkíséreltem tömény vizes nátrium-hidroxid oldattal és kénsavas vízzel

desztillálni. Egy óra forralás után az oldatot elkezdtem desztillálni. A lúgos hidrolízis kísérletek

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50 60 70

pH

VHCl (cm3)

Hidrolízis utáni oldat

37

után sikerült piridint (a piridínium-kloridból) átdesztillálni. A lombikban maradt sókról titrálási

görbét vettem fel 0,1 M-os HCl oldatot és digitális pH mérőt használva (25. ábra). A lombikban

a titrálási görbe alapján karbonát ionok voltak a maradék nátrium-hidroxid mellett némi

szennyeződéssel, ami betudható cianurát-ionnak. A nátrium-hidroxid nem kötött meg ilyen

mennyiségű szén-dioxidot, a vegyszer minőségéről más titrálással győződtem meg. Savas

hidrolízis során nem képződött más termék. Fontos megfigyelés, hogy a hőbontott termékből

lúgos hidrolízis során nem távozott ammónia.

24.ábra A piridínium-klorid titrálási görbéje

25. ábra A hidrolízis utáni oldat titrálási görbéje

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25

pH

VHCl (cm3)

Piridínium-kloird

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50 60 70

pH

VHCl (cm3)

Hidrolízis utáni oldat

38

Kísérletet tettem a termékek VRK-s elválasztására. Sajnos ez nagyrészt eredménytelen volt. A

legjobb oldószer keveréknek az ecetsavas DCM mutatkozott, 1:6 arányban. Ezesetben az egyik

folt a lap legtetején, a másik a legalján maradt. Etil-acetát, aceton, hexán, metanol, etanol és víz

számtalan keverékét teszteltem. Legcélszerűbb volt szelektíven előállítani a hőbontott, vagy

hőbontatlan terméket analízishez a reakció hőmérsékletének irányításával

Idő közben lehetőségem nyílt NMR spektrumokat rögzíteni, a barna, reményeim szerint

hőbontatlan terméket vettem górcső alá. D2O-ban oldottam fel vízmentes nátrium-karbonát

segítségével. A karbonátból és a fekete anyagból is 50-50 mg-ot kevertem el 0,7 ml

oldószerben, ezt összeráztam, állni hagytam és leszűrtem vattán keresztül. Az így kapott oldat

1H NMR spektrumát a 26. ábra mutatja. Két termékre utalnak az integrálok, a két triplet és a

dublet egy piridínium vegyületetet jelez, más hidrogén ezen vegyületben nem fellelhető. A

másik két jelet a hőbontott terméknek tudom be, de az is lehet, hogy 3,5-diklórpiridin. A

spektrum jelei jól kivehetőek, még ha zajosak is az alacsony oldhatóság miatt. Egyedül a 8,72-

es jel tűnik túl elmosódottnak. A 8,48-as jelben is megbújik még egy hidrogén jel, azt az

integrálból kihagytam. Az acetonitrilben végzett reakciókkal összevetve a bomlást

triazoldionon keresztül magyarázom (27.ábra). Annak a továbbomlása már korábban is

dokumentált volt piridin katalízisre56. Jelen esetben az aktív-klóros származékot bontjuk

tovább. Ha az oxidációs reakciókban már csak nyomnyi mennyiségű triazoldion is képződik,

az nagyságrendekkel megnövelheti a hatékonyságot. A TCCA előfordulhat, hogy a redukált

formáját oxidálja vissza triazoldionra, az reagál az aminokkal és alkoholokkal. A triazoldion

bomlása hosszadalmasan írható le, ezt nem részletezném, a korábban említett forrás részletesen

tárgyalja. A bemért termékek a triazoldion bomlásával képződő piridínium sók.

39

26. ábra A TCCA nem hőbontott barna színű bomlástermékének 1H-NMR spektruma nátrium-karbonát tartalmú

D2O-ban

27.ábra A TCCA bomlásának első három lépése

40

2.5 Klór-azid reakciója ecetsavas acetonitrilben piridinnel réz

katalizátorral

A TCCA reaktivitása és könnyű kezelhetősége kiváló vegyületté teszi oldatbeli klór-

azid előállításához. A klórazidot megkíséreltem klór-nitrén forrásként reakcióba vinni

piridinnel. A piridin maga is katalizálja valószínűleg a reakciót. Ennek a reakciónak a

kialakításához elengedhetetlenek a korábbi piridines reaktivitást vizsgáló kísérletek. A rezet

eleinte a reakció követéséhez, indikátorként alkalmaztam. A reakció végrehajtása során derült

fény enyhe katalitikus tulajdonságaira. Célommá vált a reakció optimalizálása, a réz katalízis

és a reakció mechanizmusának felderítése. A feltételezett reakció az alábbi (28. ábra):

28. ábra Diazatropylium feltételezett előállítása

Első lépésben a reakciókat rézmentesen végeztem. 1 g nátrium-azidot szórtam

acetonitrilbe és 3 ekvivalens jégecetet adtam hozzá. Egy napig állni hagytam, hogy szabaduljon

fel hidrogén-azid. Az oldatot ezután leszűrtem. Acetonitriles TCCA oldatot adtam hozzá. Az

oldat ekkor besárgult, feltehetően klór-azid képződése közben. Cianúrsav csapadék nem volt

jellemző, azidra 1 ekvivalens TCCA-t használtam. A klórazid képződést segítve az oldatot állni

hagytam néhány órán át, esetenként egy-egy napig. Ezután piridint adtam hozzá. A piridin

mennyisége több volt a klór-azidénál, de kevesebb a megmaradt ecetsavénál. A termék napok

alatt fokozatosan piros folyadékként jelent meg az oldat alján, pipettával el lehetett távolítani.

A hozam rendszerint 10 % körüli volt. Amennyiben adtam az oldathoz rezet, azt a hidrogén-

azid oldathoz adtam, hogy lássam maradt-e még szabad azid. A réz-azid sötét barna színe kékre

váltott, ha az azid elfogyott, és néha le is vált lila színű réz-diklórcianurát komplexként. Ezt a

komplexet nagy feleslegben lévő ecetsav vagy szabad piridin is feloldotta eltérő kék színekkel.

Ha az oldathoz akkor adtam piridint, mikor még jelen volt a réz-azid, az oldat piszkos zöld színt

vett fel, rendszerint nagyon sötét maradt. Katalizátorként réz-acetátot alkalmaztam.

A reakciót acetonitrilben szoktam végezni, felvetődött, hogy azért nem látni-e a piros

anyagot vízben, mert egyszerűen nem keletkezik acetonitril hiányában. Klór-azid oldatot

készítettem toluolban, az oldatot két részre osztottam (15-15 ml) és az egyikhez 2 ml acetonitrilt

adtam mindkét oldatban lezajlott a reakció. A hozzáadott acetonitril vagy nem észlelhető, vagy

semmilyen befolyással nem volt a reakcióban keletkező termék mennyiségére. Több oldószert

is kipróbáltam. Hexánban nagyon lassú volt a klór-azid kialakulása a TCCA elhanyagolható

41

oldódása miatt. Vízben a piros terméket közvetlenül nem sikerült észlelni, ennél fogva kérdéses,

hogy lezajlik-e a reakció, vagy csak az azidion oxidálódik nitrogénné, miközben szép színes

komplexek képződnek.

Egyik vizes oldatban végzett reakciómnál 20 ml telített réz-acetát oldatot használtam.

A réz oldatoz először 0,5 g nátrium-azidot szórtam, megvártam ameddig réz-azid képződik

belőle. Az azid oldathoz 1 ekvivalens piridint adtam (azidra nézve), ekkor a piszkos zöld szín

volt tapasztalható. Külön ecetsavat nem adtam az oldathoz, a pH-t lúgosan kívántam tartani. Az

oldathoz 0,1 ekvivalens TCCA-t adtam. Az oldatból egyből gáz fejlődött, a fejlődő gáz

feltételezhetően nitrogén volt. Az oldatot éjszakára magára hagytam. Másnap reggel egy zöld

oldat fogadott, amelynek alján fehér és zöld kristályok voltak. Szerettem volna ezeket

krisztallográfiával azonosítani, de a TDK határideje és egy krisztallográfiai vizsgálat lefutási

ideje ezt lehetővé nem tette. A kristályokat diklórmetánnal mostam át, ami oldotta a zöld

anyagot, de a fehéret/áttetszőt nem. A réz komplexről jobb analízis módszer híján 1H NMR

spektrumot vettem fel. Ennek értelmezése azonban nagyrészt meghaladja jelenkori

készségeimet, ugyanis a réz(II)-ion párosítatlan elektronja csatol a hidrogénekkel, sok jelet

ellaposít és változtat az eltolódásokon. Igyekeztem szakirodalomból tájékozódni a

spektrumfejtést illetően. Az egyik publikáció57 összehasonlította egy kétmagvú réz kelát NMR

spektrumjait attól függően, hogy milyen ligandumot tartalmazott a komplex (29. ábra). A

munka eredménye képpen kiderült, ha acetát híd ligandum van a komplexben, a hidrogén jelei

0 és 250 ppm között mérhetőek. Ha nitrogén-dioxid, akkor ,,csak” 160 ppm alatt várhatóak

jelek, míg azid komplexben a legtöbb jel látható volt 20 alatt.

29. ábra Egy kétmagvú réz-komplex 1H-NMR felvétele. X ligandum A anyagban acetát-ion, B-ben nitrogén-

dioxid, C-ben azid-ion

42

30. ábra A kikristályosodott réz-komplex 1H-NMR spektruma DCCl3-ban

A mi készülékünk 15 ppm-ig jelez hidrogén jeleket, tehát feltehető, hogy nem fog

minden látszani. Az eltolódásokat ppm-ben jegyzem, hiszen a referenciakészülék és a saját

készülék is 300 MHz-es. Az oldatból várhatunk piridin, azid, acetát, víz és valamilyen termék

ligandumot. A kristályrácsba zárt nátrium-acetát és ecetsav is megjelenhet a spektrumon. A

piridin ligandum hidrogén jeleit a szokásosnál kisebb eltolódásnál fogjuk látni egy lapos dublett

párral a spektrum túloldalán, hiszen a réz d pályái interakcióba lépnek az aromás

elektronrendszerrel. A spektrumot D-kloroformban vettem fel (30. ábra). Az integrálok a zajos

mérés miatt nem mérvadók. A spektrum tartománya azid komplexre jellemző, de nyilván

bármely hasonló csatolási állandójú ligandum azonos eredményt ad. A dipiridilréz(II)-diacetát

és dipiridilréz(II)-acetát58 is néhányszáz ppm-nél ad jeleket, ugyan ehhez a referenciám

jégecetben lett lemérve, jó közelítéssel ki lehet zárni az acetát komplexeket. Az ecetsav jele a

szokásos helyen mutatkozik, mivel a réztől igen távol van oldatban. Ez a 2,17-es multiplett

csúcs. 4,69 a vízjel. 10,48 és 13,3 a réz által hasított magközeli két hidrogén, 10,48 van

legközelebb a rézhez, hacsak valami le nem lóg a spektrumról. Mivel a réz által csatolt lapos

jelek már látszanak, sok jelet biztosan nem hagyunk figyelmen kívül. Az azonosított jeleken

kívül 5 jel marad fenn, ami a ligandumhoz tartozik. 4 jel van a spektrumban ezeken kívül,

43

esetleg a többi csúcs alatt még néhány. Ezek sajnos közel sem beazonosíthatóak referencia

hiányában. Annyi kijelenthető, hogy a 0,85 ppm-nél látható jel bármilyen kémiai környezetben

levő piridinnek alacsony.

A termék analízisének céljából végeztem néhány kísérletet vizes oldatban. A piros

anyagot vízhez adva a szín megmarad. A szín savban elhalványodik, barnás lesz. Ha nagyon

lúgos az oldat, akkor sem látszik a piros szín. A pH-t 13 körül tartva adódik a piros szín. A színt

hipó eltűnteti. Ecetsavas közegben cinkkel fejlesztettem az oldatában hidrogént. A redukció

után meglúgosítva az oldatot a piros szín nem volt látható. Ditionit hasonlóan eltűnteti a színt,

még lúgban is. A redukált forma nem oxidálható színes anyaggá sem H2O2-vel, sem hipóval. A

termék valószínűleg nagy uv elnyeléssel rendelkezik, mivel uv-közeli abszorbciós spektruma

egy exponenciális görbéhez hasonlít savas és lúgos formában is. Uv-látható fény abszorbciós

spektrumot felvennem nem volt lehetőségem. VRK analízist a toluolban végzett acetonitriles

tesztreakció termékelegyéből végeztem, DCM-metanol 1:1 arányú keveréke kiválóan működött

eluensként. Az elválasztás még előfordulat, hogy nem volt tökéletes, mivel maradt folt a

kiindulási területen, és az eluens egy anyagot kitolt teljesen a VRK lap végére. Két másik anyag

volt még látható, Rfa=0,50 Rfb=0,83. A termékelegyről készült 1H NMR spektrum (32. ábra)

és 13C NMR spektrum is (33. ábra), ezek alább láthatóak. A spektrum D2O-ban lett rögzítve.

A jeleket magyarázni különösen bonyolultnak bizonyult. Benzil helyzetű metil-csoportot a szén

NMR-en nem látni, vagy ha van is, sok elektronvonzó szubsztituensnek kell lennie rajta. Az

biztos, hogy az 5,76 ppm-nél látható szinglet nem benzil helyzetű szénhez tartozik. D2O-ban

nem tartozhat sem amin, sem hidroxil csoporthoz. A várt termék diazatropílium só. Ennek NMR

spektrumaival kapcsolatban a szakirodalomban nincs teljes konszenzus. Nagyon gyakran

összekeverik, vagy hibásan azonosítják a kationt, antiaromás és aromás kationok spektrumait

keverik rendszerint össze (31.ábra). Az aromásra ezentúl diazatropílium, az antiaromásra

diazepínium kationként fogok ezentúl utalni. Az 1,2-diazepínium ion rendkívül instabilnak

várható, valamint feltehetően a diazatropílium ionná oxidálható. Egy összefoglaló cikk a

benzodiazepínium ionnal és származékaival részletesebben foglalkozott59. Az aromás

kationnak 3 jelet kell adnia. A tropílium H NMR spektrumon ion egy jelet ad 9,5 ppm-nél60, a

2,4-ditercbutil-azatropílium ion jelei61 8,1 ppm-től 9,24 ppm-ig terjednek. A tropílium C NMR

jele 155 ppm-nél található62, a ditercbutil-azatropílium ion jelei jelei 133,1 ppm-től 187,5 ppm-

ig láthatóak. A forrás rámutat, hogy a szubsztituálatlan azatropíliumban várhatóan 3 fajta

ekvivalens szén és hidrogén lesz látható. A felvett szén spektrumainkon megfigyelhető két

szélesebb csúcs, ezek állandóan változó kémiai környezetre utalnak. A hidrogén spektrumon

három anyag látható minimális szennyeződéssel. A mintához trifluorecetsavat adva

44

megismételtem a mérést. A jelarányok változtak, E, F, C és B jel relatív intenzitása csökkent.

Egy ennél sokkal fontosabb megfigyelés, hogy minden egyes jel eltolódása csökkent kb. 0,3

ppm-mel. Az azatropílium elektrofil tulajdonságú, a tendencia szerint a diazatropílium

méginkább az lesz. Ebből következtetve arra jutottam, hogy ha képződik diazatropílium ion,

nukleofilnak kell azt stabilizálnia. Ez a nukleofil az oldatban lehet például piridin. Így

képződhet például 4-(1-piridil)-diazepin kation. A kezdetben 4-es szénatomon lévő hidrogén

[1,4] hidrid ugrások sorozatával számtalan tautomert képezhet, a gyors átrendeződések miatt a

hidrogén jele szinglet lesz. Az összes szénatom ettől még ekvivalens marad, de a jelük

elmosódhat. A konkrét származékokat sajnos nem lehet beazonosítani ennyi alapján,

feltehetően valamilyen nukleofillel stabilizált származékokról van szó. A későbbiekben

tervezem tovább vizsgálni a reakciót, remélhetőleg sikerül a termékeket pontosan azonosítani

és karakterizálni.

31.ábra A két gyakran kevert gyűrűs kation

32. ábra A piros anyag D2O oldatban rögzített 1H-NMR spektruma

45

33. ábra A piros anyag D2O oldatban rögzített 13C-NMR spektruma

46

3 ÖSSZEGZÉS

A TCCA szakirodalomban jellemzett reakciói közül minden típusúra mutattam be

példát. Sokféle egyéb halogénezési reakciót is bemutattam, összehasonlítottam őket egymással.

A karakterizált reakciókból és a vegyület tulajdonságaiból feltételeztem, hogy képes ezektől

eltérő mechanizmusokon keresztül is reakciókban részt venni, illetve, hogy módosítható néhány

reakció úgy, hogy észter és nitril halogénezést is végre lehessen vele hajtani. A reakciók közül

mindegyikről sikerült bebizonyítani, hogy végbemegy, igaz, a savkatalizált reakciókban

rendszerin nem volt izolálható a termék, mert a sav miatt tovább reagálhatott. Megjegyzem,

korábban végzett reakciók során sikerült már frakcionált desztillálással klór-észtert

elválasztani, de minimális hozammal (5%>), 20 g körüli TCCA mennyiség felhasználásával.

Ettől függetlenül intramolekuláris átalakításokra ez is lehet hasznos reakció. A nátriummal

végzett halogénezés lezajlott, még ha nem is a várt terméket/termékeket eredményezte, a

reduktív halogénezés lejátszódását bizonyította, várhatóan megnyitva ezzel új, preparatív célra

is hasznos reakciók előtt az utat. Az acetonitril klórozása nem volt sikeres a sok mellékreakció

miatt, de az észter klórozás szépen zajlott. A munkám célja végső soron nem közvetlenül

preparatív célból hasznos reakciók felderítése volt, hanem a reaktivitás bemutatása. A TCCA

komplexképzési tulajdonságait is sikerült kísérleti úton bemutatni, emellett egy új bomlási

reakcióját is bemutattam a TCCA-nak, acetonitrilben lépésenként is izoláltam közitermékeket,

még ha az alacsony oldhatóság miatt nem is feltétlenül volt sikeres a közitermékek

karakterizálása. A termékanalízis többnyire sikeres volt, legtöbb alkalommal a mechanizmusra

is jó eséllyel következtethettünk. Utolsóként egy diazatropílium-származékot is megkíséreltünk

előállítani, ennek sikeressége bizonytalan, de a jövőben mindenképpen azonosítani és

karakterizálni tervezem a kialakuló termékeket, az átmeneti eredményeket pedig célszerűnek

találtam a dolgozatban közölni.

Az összes tárgyalt reakcióból ki lehetne indítani egy-egy kutatást, nagyon sok nyitott

kérdés maradt és nagyon sok meredek mechanizmusjavaslat vár igazolásra, vagy cáfolásra. A

jövőben feltétlenül sort fogok keríteni legalább néhány reakció további elemzésére.

47

4 IRODALOMJEGYZÉK

1 Grignard, V; Compt, rend. Hebd; Séances Acad. Sci., 1900, 130, 1322.

2 Esmay, D. I.; Adv. Chem. Ser., 1959, 23, 47.

3 March’s Advanced Organic Chemistry, 5th ed., 858.

4 Tamba, S.; Okubo, Y.; Tanaka, S.; Monguchi, D.; Mori, A.; J. Org. Chem. 2010, 75, 20,

6998–7001.

5 Hodgson, H. H.; Chem. Rev., 1947, 40, 2, 251–277.

6 Wu, H.; Hynes, Jr.; J. Org. Lett., 2010, 12, 1192-1195.

7 Molander, G. A.; Cavalcanti, L. N.; J. Org. Chem., 2011, 76, 7195-7203.

8 Jin, X.; Davies, R. P.; Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 2110-2117.

9 Oláh, Gy. A; Kuhn, S. J.; Hardie, B. A.; J. Am. Chem. Soc., 1964, 86, 6, 1055–1060.

10 Mostafa, M. A. B.; Bowley, R. M.; Racys, D. T.; Henry, M. C.; Sutherland, A.; J. Org.

Chem., 2017, 82, 14, 7529–7537.

11 Zhang, L.; Hu, X.; Chem. Sci., 2017, 8, 7009-7013.

12 El-Kashef, H.; Farghaly A. R.; Al-Hazmi, A.; Terme, T.; Vanelle, P.; Molecules, 2010, 15,

4, 2651–2666.

13 Throat, P. B.; Goswami, S.V.; Sondankar, V. P.; Chinese Journal of Catalysis, 2015, 36, 7

14 Stroh, R.; Hahn, W.; Houben-Weyl, 4th ed. 1962, V/3, 611, ill. 877.

15 Caló, V.; Lopez, L.; J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1975, 212-213.

16 Roy, S. C.; Rana, K. K.; Guin, C.; Biplab Banerjee; Arkivoc, 2003, 9, 34-38.

17 Sreedhar, B.; Surendra Reddy P.; Madhavi, M.; 2007, 37, 23, 4149-4156.

18 Yu, J.; Zhang, C.; Synthesis, 2009, 2324-2328.

19 Wang, L.; Cai, C.; Curran, D. P.; Zhang, W.; Synlett, 2010, 433-436.

20 Jing, Y.; Daniliuc, C. G.; A. Studer, Org. Lett., 2014, 16, 4932-4935.

21 Park, Y. S.; 2009, 20, 21, 2421–2427.

22 Ocampo, R.; Dolbier, W. R. Jr.; Tetrahedron, 2004, 60, 42, 11, 9325-9374.

23 Guest, H. H.; Goddard, C. M. Jr.; J. Am. Chem. Soc., 1944, 66, 12, 2074–2075.

24 Coffrey, K. E.; Murphy, G. K.; Synlett, 2015, 26, 1003-1007.

25 Vora, H. U.; Rovis, T.; J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 2860-2861.

26 Solas D.; Wolinsky, J.; Synthetic Communications, 11, 8, 609-614.

27 Stotter, P. L.; Hill, K. A.; Tetrahedron Letters, 1972, 13, 40, 4067-4070.

28 Palomo, C.; Aizpurua, J. M.; López, C. M.; Aurrekoetxea, N.; Tetrahedron Letters, 1990,

31, 15, 2205–2208.

29 Moorthy, J. N.; Singhal, N.; J. Org. Chem., 2005, 70, 5, 1926–1929.

30 Bendale, P. M.; Khadilkar, B. M.; Synthetic Communications, 2000, 30, 10, 1713–1718.

31 Chen, H.; Dai, W.; Chen, Y.; Xu, Q.; Chen, J.; Yu, L.; Zhao, Y.; Ye, M.; Pan, Y.; Green

Chem., 2014, 16, 2136-2141.

32 Corey, E. J.; Weinshenker N. M.; Shaaf, T. K.; Huber, W; J. Am. Chem. Soc., 1969, 91, 20,

5675–5677.

33 Stamm, A.; Fischer, J.; Henkelmann, J.; Siegel, W.; 2002 US 6353127

48

34 Syun-ichi, K.; Ryoji, F.; Katsuhiko, K.; Chem. Lett., 1984, 13, 11, 1979-1980.

35 Maras, N.; Kocevar, M.; Monatshefte fuer Chemie/Chemical Monthly, 2014, 146, 4.

36 Mendonça, G. F.; Senra, M. R.; Esteves, P. M.; de Mattos, M. C. S.; Applied Catalysis A:

General, 2011, 401, 1-2, 176–181.

37 Rogers, D. A.; Bensalah, A. T.; Espinosa, A. T.; Hoerr, J. L.; Refai, F. H.; Pitzel, A. K.;

Lamar, A. A.; Org. Lett., 2019, 21, 11, 4229–4233.

38 Jeromin, G. E.; Orth, W.; Rapp, B.; Weiss, W.; ChemInform, 1987, 18, 31.

39 Van Summeren, R. P.; Romaniuk, A.; IJpeij, E. G.; Alsters, P. L.; Catalysis Science &

Technology, 2012, 2, 10, 2052.

40 Gaspa, S.; Porcheddu, A.; De Luca, L.; Org. Lett., 2015, 17, 15, 3666–3669.

41 a) S. Gaspa; I. Amura; A. Porcheddu; L. De Luca; New J. Chem., 2017, 41, 931–939. b) S.

Gaspa; A. Porcheddu; L. De Luca; Tetrahedron Lett., 2017, 58, 2533–2536.

42 Tilstam, U.; Weinmann, H.; Org. Proc. Res. Dev., 2002, 6, 4, 384–393.

43 Juenge, E. C.; Corey, M. D.; Beal, D. A.; Tetrahedron, 1971, 27, 13, 2671–2674.

44 Fukuda, N.; Ikemoto, T.; The Journal of Organic Chemistry, 2010, 75, 13, 4629–4631.

45 Tsuchihashi, G.; Ogura, K.; Bull. Chem. SOC. Jap., 1971, 44, 1726.

46 Gaspa, S.; Carraro, M.; Pisano, L.; Porcheddu, A.; De Luca, L.; Journal of Organic

Chemistry, 2019, 22, 3544–3552.

47 Chen, F.-E.; Kuang, Y.-Y.; Dai, H.-F.; Lu, L.; Huo, M; Synthesis, 2003 17, 2629–2631.

48 Pati, S. C.; Sarangi, C.; Indian Journal of Chemistry, 1988, 27 A, 593-596

49 McGoran, E. C.; Melton, C.; Taitch, D.;J. Chem. Educ., 1996, 73, 1, 88.

50 McLafferty, F. W.; Anal. Chem., 1959, 31, 1, 87–94.

51 Wallace, W. E.; "Mass Spectra" by NIST Mass Spectrometry Data Center

52 Bankiewicz, B.; Huynh, L. K.; Ratkiewicz, A.; Truong, T. N.; The Journal of Physical

Chemistry A, 2009, 113, 8, 1564–1573.

53 Wiley SpectraBase; SpectraBase Compound ID=8BsZnQHI3qa SpectraBase Spectrum

ID=Ak6iGv8L0Az, http://spectrabase.com/spectrum/Ak6iGv8L0Az

54 Wiley SpectraBase; SpectraBase Compound ID=8BsZnQHI3qa SpectraBase Spectrum

ID=7vvg5InJhhW, http://spectrabase.com/spectrum/7vvg5InJhhW

55 Nilo, M. C. B. G.; Simões, T. G.; Neto, C. C.; Journal of the Brazilian Chemical

Society, 2018, 29, 7, 1499-1515.

56 Borhani, D. W.; Greene, F. D.; J. Org. Chem., 1986, 51, 9, 1563–1570.

57 ; Inorg. Chem., 1995, 34, 13, 3371–3373.

58 Nakasuka, N.; Azuma, K.; Tanaka, M.; Inorganica Chimia Acta, 1995, 238, 83-87.

59 Claramunt, R. M.; Alkorta, A.; Elguero, J.; Computational and Theoretical Chemistry, 2013,

1019, 108-115.

60 Fan, J.; Deng, H.; Li, J.; Jia, X.; Li, C.; Chemical Communications, 2013, 49, 56, 6343.

61 Satake, K.; Kubota, Y.; Cordonier, C. E. J.; Okamoto, H.; Kimura, M.; Angewandte Chemie

International Edition, 2004, 43, 6, 736–738.

62 https://www.chemicalbook.com/SpectrumEN_27081-10-3_13cnmr.html