Способ получения трис(2-пиридил)фосфина

Изобретение относится к области элементоорганической химии, а именно, к новому способу получения триc(2-пиридил)фосфина формулы 2-Ру₃Р (1). Последний является эффективным триподальным, тетрадентатным и хемилабильным лигандом с геминальным расположением трех пиридиновых атомов азота относительно атома фосфора и находит применение в катализе и кооординационной химии для дизайна скорпионатных комплексов [1] и кластеров [2] переходных металлов, катализирующих, в частности, важные промышленные реакции [3], такие как полимеризация этиленов [4], синтез Дильса-Альдера [5], гидроформилирование [6] и метоксикарбонилирование алкенов [7].

Кроме того комплексы этого фосфина и его халькогенидов используются для создания оптоэлектронных устройств [8], термостойких фотоматериалов [9], одиночных молекулярных или одиночных ионных магнитов [1c], а также как добавки к электролитам литий-ионных батарей [10], прекурсоры в синтезе радиофармпрепаратов для диагностики и лечения кардиоваскулярных и онкологических заболеваний [11] и как строительные блоки для органического синтеза [12].

Традиционные методы синтеза трис(2-пиридил)фосфина основанные на реакциях агрессивных хлоридов фосфора с влагочувствительными и пирофорными металлорганическими соединениями (с пиридиллитием [13] или пиридилмагний производными [14]), требуют особых экспериментальных условий. Синтез трис(2-пиридил)фосфина на основе 2-пиридиллития и PCl₃ двухстадиен и требует использования низких температур и абсолютных органических легковоспламеняемых растворителей. На первой стадии синтезируют 2-пиридиллитий из 2-бромпиридина и n-BuLi в абсолютном эфире при температуре минус 115° С, на второй стадии 2-пиридиллитий реагирует с PCl₃, образуя целевой продукт (выделен колоночной хроматографией) с выходом 47% [13].

Описан синтез трис(2-пиридил)фосфина с выходом 70% взаимодействием 2-бромпиридина с реактивом Гриньяра. На первой стадии из магния и 2-бромпиридина получают реактив Гриньяра, который далее реагирует с PCl₃ в растворе абсолютного ТГФ при температуре минус 78° С [14]. Трис(2-пиридил)фосфин выделяют твердожидкостной экстракцией с использованием большого количества экстрагента – диэтиламина (например, для выделения 2.1 г целевого продукта (I) используют 250 мл диэтиламина [14]). Далее для получения трис(2-придил)фосфина приемлемой чистоты применяют метод колоночной хроматографии.

Позднее получил развитие синтез трис(2-пиридил)фосфина прямой реакцией фосфорилирования элементным фосфором 2-галогенпиридинов в сверхосновной системе в инертной атмосфере (аргон) [15]. Так, красный фосфор взаимодействует с 2-бромпиридином в сверхосновной системе КОН/ДМСО/(H₂O) при 100^o С в течение 3 ч при мольном соотношении 2-бромпиридин : Р = 1 : 2 образуя трис(2-пиридил)фосфин с выходом до 62%, а также трис(2-пиридил)фосфиноксид с выходом до 10% [18], т.е. данная реакция не хемоселективна. В аналогичных условиях реакция белого фосфора с 2-бромпиридином протекает менее эффективно: выход целевого фосфина падает до 50% [15].

Следует отметить, что во всех известных вышеприведенных методах синтеза трис(2-пиридил)фосфина [13-15] в качестве 2-галогенпиридина используют только 2-бромпиридин, хотя 2-хлорпиридин коммерчески более доступен: так, 100 г 2-бромпиридина стоит 7304 руб, а 100 г 2-хлорпиридина - 2174 руб [см. https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/c69802?lang=en&region=RU].

Ближайшим прототипом предполагаемого изобретения является способ получения трис(2-пиридил)фосфина из красного фосфора и 2-хлорпиридина в сверхосновной системе КОН/ДМСО [15] (подробности эксперимента в данной работе отсутствуют). Сообщалось только, что реакцию проводили при 100^о С и что выход целевого продукта очень низкий - всего 3-5%.

Технической задачей данного изобретения является разработка эффективного и хемоселективного способа получения целевого продукта и значительное повышение его выхода. Поставленная цель достигается тем, что красный фосфор взаимодействует с 2-хлорпиридином в инертной атмосфере (аргон) при нагревании (100-135^o C, 1-5 ч) в присутствии полугидрата гидроксида калия в среде ДМСО с использованием небольших добавок воды при мольном соотношении реагентов 2-PyCl : Р : KOH∙0.5H₂O : H₂O = 0.05 : (0.1-0.15) : (0.154-0.308) : (0.056-0.11).

В указанных условиях трис(2-пиридил)фосфиноксид не образуется. Целевой трис(2-пиридил)фосфин выделяют с чистотой 99-99.5% из реакционной смеси путем следующей процедуры: разбавление реакционной смеси водой, экстракция хлороформом, промывка хлороформных экстрактов водой, сушка хлороформных экстрактов поташом, удаление хлороформа на роторном испарителе, высушивание остатка в вакууме (1 мм рт. ст.). Реакция получения трис(2-пиридил)фосфина описывается следующей схемой.

В лучших условиях: 125^o C, 2 ч, мольное соотношение 2-PyCl : Р : KOH⋅0.5H₂O : H₂O = 0.05 : 0.15 : 0.23 : 0.11, растворитель ДМСО (аргон) выход трис(2-пиридил)фосфина достигает 70%, его чистота при этом составляет 99.5%, т.е. по сравнению с прототипом выход целевого продукта увеличен в 14 раз.

Проведение реакции при 100^о С при прочих равных условиях приводит к неполной конверсии 2-хлорпиридина (74%) и уменьшению выхода фосфина 1 до 30%. Нагревание реакционной смеси до 125^о С позволяет получить целевой продукт с выходом 70%. Дальнейшее увеличение температуры реакции до 135^о C приводит к снижению выхода продукта до 38%. Выход целевого продукта падает до 59% при добавлении в реакционную смесь в 2 раза меньшего количества воды (0.56 ммоль). Проведение реакции за 1 ч позволят повысить выход фосфина 1 до 69%, но при этом наблюдаем неполную конверсию (79%) 2-хлорпиридина. Проведение реакции в течение 3 ч, приводит к уменьшению выхода до 57%, конверсия 2-хлорпиридина 100%. Еще более длительное время реакции 5 ч приводит к уменьшению выхода фосфина 1 на 19%. Увеличение в 1.5 раза концентрации красного фосфора и полугидрата гидроксида калия приводит к увеличению выхода фосфина 1 до 70%. Дальнейшее увеличение полугидрата гидроксида калия в 2 раза приводит к снижению выхода до 48%. Замена гидроксида калия на гидроксид натрия при прочих равных условиях приводит к понижению выход фосфина 1 до 12%. Увеличение количества ДМСО в 1.5 раза приводит к понижению выхода фосфина 1 до 52 %.

Следующие примеры иллюстрируют изобретение:

Пример 1.

В колбу помещали 4.65 г (150 ммоль) красного фосфора, добавляли 15.0 г (230.0 ммоль) полугидрата гидроксида калия, 50 мл диметилсульфоксида, приливали 5.68 г (50.0 ммоль) 2-хлорпиридина и 2 мл (111 ммоль) воды, перемешивали при 125 ^оС в течение 2 ч в атмосфере аргона. Реакционную смесь охлаждали и добавляли 50 мл воды, экстрагировали хлороформом (3 раза по 50 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (4 раза по 30 мл) и сушили поташом. Растворитель удаляли, осадок промывали эфиром и высушивали при пониженном давлении. Получают 3.1 г продукта, выход 70%, трис( пиридил)фосфина с чистотой 99.5%. Продукт перекристаллизовывали (изо-пропиловый спирт) т.пл. 115^о С (лит. данные 115.5^о С). ¹H ЯМР (400.13 МГц, CDCl₃): δ = 7.19 (дд, ³J_5-6 = 4.7 Гц, ³J_5-4 = 5.7 Гц, 3H, Н-5), 7.39 (д, ³J_3-4 = 7.7 Гц, 3H, Н-3), 7.59 (тт, ³J_4-3 = ³J_4-5 7.7 Гц, ⁴J_4-6 ≈ ⁴J_4-P ≈ 1.9 Гц, 3H, Н-4), 8.69 (уш.д, ³J_6-5 = 4.7 Гц, 3H, Н-6). ¹³C ЯМР (100.62 МГц, CDCl₃): δ = 122.70 (C-5), 129.18 (д, ²J_PС = 20.0 Гц, С-3), 135.75 (д, ³J_PС = 3.9 Гц, С-4), 150.31 (д, ³J_PС = 12.0 Гц, С-6), 161.85 (д, ¹J_PC = 2.6 Гц, C-2). ³¹P ЯМР (161.98 МГц, CDCl₃): δ = -1.89 м.д.

Найдено,%: C 68.03; H 4.49; N 15.89; P 11.98.

C₁₅H₁₂N₃P.

Вычислено,%: C 67.92; H 4.56; N 15.84; P 11.68.

Пример 2.

В колбу помещали 4.65 г (150 ммоль) красного фосфора, добавляли 15.0 г (230.0 ммоль) полугидрата гидроксида калия, 50 мл диметилсульфоксида, приливали 5.68 г (50.0 ммоль) 2-хлорпиридина и 1 мл (56 ммоль) воды, перемешивали при 125 ^оС в течение 2 ч в атмосфере аргона. Реакционную смесь охлаждали и добавляли 50 мл воды, экстрагировали хлороформом (3 раза по 50 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (4 раза по 30 мл) и сушили поташом. Растворитель удаляли, осадок промывали эфиром и высушивали при пониженном давлении. Получили 2.61 г продукта, выход 59%.

Пример 3.

В колбу помещали 3.1 г (100 ммоль) красного фосфора, добавляли 10.0 г (154.0 ммоль) полугидрата гидроксида калия, 50 мл диметилсульфоксида, приливали 5.68 г (50.0 ммоль) 2-хлорпиридина и 2 мл (111 ммоль) воды, перемешивали при 100 ^оС в течение 3 ч в атмосфере аргона. Реакционную смесь охлаждали и добавляли 50 мл воды, экстрагировали хлороформом (3 раза по 50 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (4 раза по 30 мл) и сушили поташом. Растворитель удаляли, на вакууме отгоняли непрореагировавший 2-хлорпиридин (1.48 г, конверсия 74%), осадок промывали эфиром и высушивали при пониженном давлении. Получили 0.98 г продукта, выход 30%, на прореагировавший 2-хлорпиридин.

Пример 4

В колбу помещали 3.1 г (100 ммоль) красного фосфора, добавляли 15.0 г (230.0 ммоль) полугидрата гидроксида калия, 50 мл диметилсульфоксида, приливали 5.68 г (50.0 ммоль) 2-хлорпиридина и 2 мл (111 ммоль) воды, перемешивали при 135 ^оС в течение 2 ч в атмосфере аргона. Реакционную смесь охлаждали и добавляли 50 мл воды, экстрагировали хлороформом (3 раза по 50 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (4 раза по 30 мл) и сушили поташом. Растворитель удаляли, осадок промывали эфиром и высушивали при пониженном давлении. Получили 1.68 г продукта, выход 38%.

Пример 5.

В колбу помещали 3.1 г (100 ммоль) красного фосфора, добавляли 15.0 г (230.0 ммоль) полугидрата гидроксида калия, 50 мл диметилсульфоксида, приливали 5.68 г (50.0 ммоль) 2-хлорпиридина и 2 мл (111 ммоль) воды, перемешивали при 125 ^оС в течение 1 ч в атмосфере аргона. Реакционную смесь охлаждали и добавляли 50 мл воды, экстрагировали хлороформом (3 раза по 50 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (4 раза по 30 мл) и сушили поташом. Растворитель удаляли, на вакууме отгоняли непрореагировавший 2-хлорпиридин (1.2 г, конверсия 79%), осадок промывали эфиром и высушивали при пониженном давлении. Получили 2.41 г продукта, выход 69% на прореагировавший 2-хлорпиридин.

Пример 6.

В колбу помещали 3.1 г (100 ммоль) красного фосфора, добавляли 15.0 г (230.0 ммоль) полугидрата гидроксида калия, 50 мл диметилсульфоксида, приливали 5.68 г (50.0 ммоль) 2-хлорпиридина и 2 мл (111 ммоль) воды, перемешивали при 125 ^оС в течение 3 ч в атмосфере аргона. Реакционную смесь охлаждали и добавляли 50 мл воды, экстрагировали хлороформом (3 раза по 50 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (4 раза по 30 мл) и сушили поташом. Растворитель удаляли, осадок промывали эфиром и высушивали при пониженном давлении. Получили 2.52 г продукта. Выход продукта 57%.

Пример 7.

В колбу помещали 3.1 г (100 ммоль) красного фосфора, добавляли 15.0 г (230.0 ммоль) полугидрата гидроксида калия, 50 мл диметилсульфоксида, приливали 5.68 г (50.0 ммоль) 2-хлорпиридина и 2 мл (111 ммоль) воды, перемешивали при 125 ^оС в течение 5 ч в атмосфере аргона. Реакционную смесь охлаждали и добавляли 50 мл воды, экстрагировали хлороформом (3 раза по 50 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (4 раза по 30 мл) и сушили поташом. Растворитель удаляли, осадок промывали эфиром и высушивали при пониженном давлении. Получили 2.25 г продукта, выход 51%.

Пример 8.

В колбу помещали 3.1 г (100 ммоль) красного фосфора, добавляли 20.0 г (307.7 ммоль) полугидрата гидроксида калия, 50 мл диметилсульфоксида, приливали 5.68 г (50.0 ммоль) 2-хлорпиридина и 2 мл (111 ммоль) воды, перемешивали при 125 ^оС в течение 2 ч в атмосфере аргона. Реакционную смесь охлаждали и добавляли 50 мл воды, экстрагировали хлороформом (3 раза по 50 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (4 раза по 30 мл) и сушили поташом. Растворитель удаляли, осадок промывали эфиром и высушивали при пониженном давлении. Получили 2.12 г продукта, выход 48%.

Пример 9.

В колбу помещали 3.1 г (100 ммоль) красного фосфора, добавляли 6.16 г (154.0 ммоль) гидроксида натрия, 50 мл диметилсульфоксида, приливали 5.68 г (50.0 ммоль) 2-хлорпиридина и 2 мл (111 ммоль) воды, перемешивали при 100 ^оС в течение 3 ч в атмосфере аргона. Реакционную смесь охлаждали и добавляли 50 мл воды, экстрагировали хлороформом (3 раза по 50 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (4 раза по 30 мл) и сушили поташом. Растворитель удаляли, на вакууме отгоняли непрореагировавший 2-хлорпиридин (0.62 г, конверсия 89%), осадок промывали эфиром и высушивали при пониженном давлении. Получили 0.47 г продукта, выход 12%, на прореагировавший 2-хлорпиридин.

Пример 10.

В колбу помещали 3.1 г (100 ммоль) красного фосфора, добавляли 15.0 г (230.0 ммоль) полугидрата гидроксида калия, 75 мл диметилсульфоксида, приливали 5.68 г (50.0 ммоль) 2-хлорпиридина и 2 мл (111 ммоль) воды, перемешивали при 125 ^оС в течение 2 ч в атмосфере аргона. Реакционную смесь охлаждали и добавляли 50 мл воды, экстрагировали хлороформом (3 раза по 50 мл). Хлороформный экстракт промывали водой (4 раза по 30 мл) и сушили поташом. Растворитель удаляли, осадок промывали эфиром и высушивали при пониженном давлении. Получили 2.3 г продукта, выход 52%.

Таким образом, предлагаемый способ получения трис(2-пиридил)фосфина (перспективного полидентатного лиганда) обладает следующими достоинствами по сравнению с известным прототипом: повышен в 14 раз выход целевого продукта, исключен процесс образования побочного соединения трис(2-пиридил)фосфиноксида.

Использованная литература

(a) T. Gneuß, M. J. Leitl, L. H. Finger, N. Rau, H. Yersin and J. Sundermeyer, Dalton Trans. 2015, 44, 8506; (b) S. Hanf, R. García-Rodríguez, A. D. Bond, E. Hey-Hawkins and D. S. Wright, Dalton Trans., 2016, 45, 276; (c) A. V. Artem’ev, A. V. Kashevskii, A. S. Bogomyakov, A. Yu. Safronov, A. O. Sutyrina, A. A. Telezhkin and I. V. Sterkhova, Dalton Trans., 2017, 46, 5965; (d) R. Suter, H. Sinclair, N. Burford, R. McDonald, M. J. Ferguson and E. Schrader, Dalton Trans., 2017, 46, 7681;

A. V. Artem’ev, I. Yu. Bagryanskaya, E. P. Doronina, P. M. Tolstoy, A. L. Gushchin, M. I. Rakhmanova, A. Yu. Ivanov and A. O. Suturina, Dalton Trans., 2017, 46, 12425.

(a) H.-S. Wang and S. J. Yu, Tetrahedron Lett., 2002, 43, 1051; (b) A. Karam, R.Tenia, M. Martinez, F. López-Linares, C. Albano, A. Diaz-Barrios, Y. Sánchez, E. Catarí, E. Casas, S. Pekerar and A. Albornoz, J. Mol. Catal. A: Chem., 2007, 265, 127; (c) F. Lopez-Linares, A. Fuentes, R. Tenia, M. Martinez and A. Karam, Reaction Kinetics & Catal. Lett., 2007, 92, 285; (d) A. N. Kharat, B. T. Jahromi and A. Bakhoda, Transition Met. Chem., 2012, 37, 63; (e) D. W. Norman and J. L. Laningham, Patent US 20150080628, 2016 (Chem. Abstr. 2015, 162, N 438977).

Karam, A.; Tenia, R.; Martinez, M.; Lуpez-Linares, F.; Albano, C.; Diaz-Barrios, A.; Sánchez, Y.; Catarí, E.; Casas, E.; Pekerar, S.; Albornoz, A. J. Mol. Catal. A: Chem. 2007, 265, 127–132.

Kuo, C.-Y.; Fuh, Y.-S.; Shiue, J.-Y.; Yu, S. J.; Lee, G.-H.; Peng, S.-M. J. Organomet. Chem. 1999, 588, 260–267.

Kurtev, K.; Ribola, D.; Jones, R. A.; Cole-Hamilton, D. J.; Wilkinson, G. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1980, 1, 55–58.

(a) Drent, E.; Arnoldy, P.; Budzelaar, P. H. M. J. Organomet. Chem. 1994, 475, 57–63; (b) Drent, E.; Arnoldy, P.; Budzelaar, P. H. M. J. Organomet. Chem. 1994, 475, 247–253.

(a) T. Gneuß, J. Sundermeyer, M. Leitl and H. Yersin, DE Patent 102014116314, 2016 (Chem. Abstr. 2016, 164, N 609200); (b) A. V. Artem’ev, E. P. Doronina, M. I. Rakhmanova, A. O. Sutyrina, I. Yu. Bagryanskaya, P. M. Tolstoy, A. L. Gushchin, A. S. Mazur, N. K. Gusarova and B. A. Trofimov, New J. Chem., 2016, 40, 10028.

T. Hanyu, JP Patent 2003057783, 2003 (Chem. Abstr., 2003, 138, N 195810).

K. Amine, L. Zhang, Zh. Zhang, Patent US 20140272607, 2014 (Chem. Abstr. 2014, 161, N 477212).

(a) S. J. Berners-Price, R. J. Bowen, P. Galettis, P. C. Healy and M. J. McKeage, Coord. Chem. Rev., 1999, 185–186, 823; (b) S. Liu and Z. He, Patent US 2007/0166227, 2007 (Chem. Abstr. 2005, 143, N 240815); (c) J. J. Liu, P. Galettis, A. Farr, L. Maharaj, H. Samarasinha, A. C. McGechan, B. C. Baguley, R. J. Bowen, S. J. Berners-Price and M. J. McKeage, J. Inorg. Biochem., 2008, 102, 303; (d) J. R. Luque-Ortega, P. Reuther, L. Rivas, C. Dardonville, J. Med. Chem., 2010, 53, 1788; (e) A. N. Kharat, A. Bakhoda, S. Foroutannejad, C. Foroutannejad, Z. Anorg. Allg. Chem., 2011, 637, 2260; (f) A. V. Artem'ev, J. A. Eremina, E. V. Lidera, O. V. Antonova, E. V. Vorontsova and I. Yu. Bagryanskaya, Polyhedron, 2017, 138, 218.

(a) Yu. Uchida, K. M. R. Kajita, Yo. Kawasaki and Sh. Oae, Heteroatom Chem., 1997, 5, 439; (b) S. N. Arbuzova, N. K. Gusarova, T. E. Glotova, I. A. Ushakov, S. I. Verkhoturova, A. O. Korocheva and B. A. Trofimov, Eur. J. Org. Chem., 2014, 639; (c) S. N. Arbuzova, N. K. Gusarova, S. I. Verkhoturova, T. I. Kazantseva, I. A. Ushakov, A. G. Mal’kina and B. A. Trofimov, Heteroatom Chem., 2015, 26, 231; (d) T. F. Vaughan and J. L. Spencer, Dalton Trans., 2016, 45, 16826; (e) S. F. Malysheva, N. K. Gusarova, N. A. Belogorlova, A. O. Sutyrina, Yu. I. Litvintsev, A. I. Albanov, I. V. Sterkhova and A. V. Artem'ev, Synlett, 2016, 27, 2451.

Bowen, R. J.; Garner, A. C.; Berners-Price, S. J.; Jenkins, I. D.; Sue, R. E. J. Organomet. Chem. 1998, 554, 181–184.

Kluwer, A. M.; Ahmad, I.; Reek, J. N. H. Tetrahedron Lett. 2007, 48, 2999–3001.

Boris A. Trofimov.; Alexander V. Artem`ev.; Svetlana F. Malysheva.; Nina K. Gusarova.; Nataliya A. Belogorlova.; Anastasiya O. Korocheva.; Yuriy V. Gatilov.; Viktor I. Mamatyuk.; Tetrahedron Letters. 2012, 53, 2424-2427.